下肢外骨骼材料类型对生物力学性能及人机工效学影响的仿真研究

本研究针对下肢外骨骼（LEEs）设计中材料选择对生物力学性能的影响问题，通过计算机辅助建模（CAD）与AnyBody建模系统（AMS）仿真，对比分析了A玻璃纤维、铝合金等7种材料的性能差异。研究发现柔性材料提升用户舒适度但耐久性不足，而刚性材料优化负载传递效率。该研究为定制化外骨骼设计提供了材料选择的理论依据，发表于《Computers in Biology and Medicine》。

　　

研究背景与意义
在工业与康复医学领域，下肢外骨骼（Lower Extremity Exoskeletons, LEEs）作为辅助技术可缓解肌肉骨骼疾病并提升行动能力，但其性能高度依赖结构材料的特性。现有研究多聚焦单一材料，缺乏系统性比较不同材料对生物力学参数（如关节反作用力、地面反作用力）的影响。此外，材料选择涉及重量、刚度与舒适度的矛盾——例如不锈钢虽稳定但笨重，玻璃纤维轻便却耐久性不足。如何平衡这些因素成为设计优化的关键难题。

研究方法与技术
研究人员基于SolidWorks构建外骨骼CAD模型，导入AnyBody建模系统（AMS）模拟身高180 cm、体重75 kg受试者的步态周期。通过对比A玻璃纤维、S玻璃纤维、铝合金（Aluminum Alloy）、不锈钢（Stainless Steel）、C石墨（C-graphite）、Hexcel和Thornel 7种材料的力学性能，量化了关节力矩（Joint Reaction Moments）、肌肉激活程度等参数。仿真涵盖摆动相与支撑相，数据通过AMS内置的人体全身模型验证。

研究结果

1. 材料与生物力学响应：柔性材料（如A玻璃纤维）显著降低关节压力（峰值力减少15%），但导致支撑相稳定性下降；刚性材料（如不锈钢）优化负载传递效率，使肌肉激活水平降低12%。
2. 耐久性与舒适度权衡：Hexcel等复合材料在耐久性测试中表现优异（疲劳寿命延长30%），但用户舒适度评分低于柔性材料。
3. 控制策略兼容性：材料刚度差异影响控制器响应时间，铝合金的适中刚度使步态同步误差最小（<5%）。

结论与讨论
该研究首次系统量化了材料选择对LEEs生物力学性能的多维度影响。柔性材料更适合康复场景以提升舒适性，而工业场景需优先采用高耐久性复合材料。未来研究可结合实验验证仿真结果，并探索智能材料（如形状记忆合金）的动态适应性。这一成果为定制化外骨骼设计提供了关键理论支撑，推动人机交互技术的精准化发展。