利用基于碳纳米管（CNT）织物的应变传感器对假肢跑步叶片进行动态力学评估

《Sensors and Actuators A: Physical》：Dynamic mechanical assessment of prosthetic running blades using CNT fabric-based strain sensors

假肢跑刀的动态力学性能分析及碳纳米管应变传感器应用研究。通过整合碳纳米管/PDMS复合应变传感器阵列与无线Wi-Fi数据传输系统，构建了C形跑刀的实时动态应变监测平台。采用ANSYS模拟定位关键应力区，通过100Hz采样频率记录不同运动模式下的应变分布特征。实验表明中段应变峰值达38.7%±2.1%，显著高于heel(12.3%±1.8%)和toe(9.5%±1.2%)区域，且应变梯度与击打位置呈正相关。研究为假肢结构的拓扑优化和疲劳寿命预测提供了新方法。

　　运行假肢是为下肢截肢者设计的运动辅助装置，通常由纤维增强聚合物复合材料制成，以实现优异的强度与重量比。这些假肢的设计目标是能够轻松地进行压缩和回弹，从而提升运动员的运动表现。然而，在实验室环境中对这些假肢的机械性能进行精确评估仍是一个重大挑战。本研究探讨了基于碳纳米管（CNT）织物的应变传感器在动态测量假肢叶片应变方面的应用。通过开发和集成传感器阵列及信号调理电路，研究团队将这些传感器嵌入C形假肢叶片中。利用ANSYS仿真技术，研究人员识别了叶片中的关键应力点，并通过Wi-Fi模块实现了动态数据采集，从而能够详细分析不同活动期间的应变分布情况。实验中，传感器被安装在假肢叶片的脚跟、脚趾和中部区域，以测试其性能。此外，还进行了不同击打位置的多种击打试验，以模拟不同的人体运动模式。研究结果表明，基于CNT织物的应变传感器能够提供关于假肢叶片应变行为的重要信息。研究发现，应变分布随着击打位置的不同而变化，其中在平底击打时，叶片中部承受的应变最大，而脚跟和脚趾区域的应变则相对较低。这种应变分析为假肢叶片的设计优化和个性化定制提供了新的方向。

在跑步过程中，假肢叶片承受的高冲击力对材料的耐久性和可靠性提出了严格要求。长期的重复加载可能导致材料退化，进而影响结构的完整性并增加突然失效的风险。因此，疲劳测试对于确保假肢的长期性能至关重要。影响假肢疲劳性能的关键因素包括材料组成、层结构配置和叶片的几何形状。这些因素决定了假肢在不同运动条件下的表现。准确评估假肢的疲劳行为有助于识别潜在的薄弱区域，优化设计并提高其耐用性，从而提升运动员的安全性和运动表现。然而，传统方法在设计、处方和性能评估方面存在局限性，特别是在实验室环境下难以准确表征其机械行为。这种表征对于理解应力分布、评估耐久性以及在可重复、标准化的载荷条件下分析性能至关重要。这些信息对于假肢叶片设计的迭代改进具有重要价值，有助于提高用户的舒适度、安全性和设备的可靠性。

在传统的假肢开发过程中，通常依赖于有限元分析、符合ISO认证标准以及标准化的机械测试。虽然这些方法能够确保基本性能和合规性，但在捕捉实际使用中遇到的复杂个体化载荷模式方面存在不足。在临床环境中，假肢技师通常根据用户的通用参数，如体重、身高和活动水平来选择设备，而不是利用精确的动态生物力学数据。这种方法限制了对假肢个性化调整的可能性，可能影响假肢的最优功能。为了弥补这一不足，动态应变监测提供了一种强大的工具，用于在代表性步态和活动周期中实时捕捉假肢结构的应力分布。即使在不使用主动反馈控制的系统中，这种数据也具有重要的诊断和设计价值。通过绘制高应力区域并表征局部应变集中情况，设计者可以主动强化脆弱部位，从而降低疲劳失效和结构退化的风险。此外，将动态的个体化运动数据整合到设计流程中，使得假肢能够根据用户的生物力学特性进行定制，从而提高其适配性、功能性和响应性。

在假肢运行叶片的动态性能方面，材料组成和机械结构是决定性因素。关键参数包括弹性模量，它决定了叶片的刚度，并影响其在跑步过程中的弯曲和恢复能力，这对于能量储存和释放至关重要。材料密度则影响假肢的重量和惯性特性，从而影响运动的轻松度和舒适性。应力分析涵盖了拉伸和压缩两种情况，有助于识别关键应力区域，指导材料布置和结构优化。应变响应提供了在负载下变形行为的见解，为设计策略提供了依据，以在灵活性与机械完整性之间取得平衡。此外，复合材料在重复循环载荷下的疲劳性能是决定假肢长期表现的核心因素。高强度使用，如短跑或跳跃，会导致重复冲击载荷，可能引发微观结构退化，最终导致失效，除非采取适当的措施进行缓解。因此，通过传感器获得的应变分析不仅有助于深入了解假肢在使用中的力学行为，还支持在材料选择、叶片曲率、截面几何形状和层结构策略方面的决策。这些改进促进了下一代假肢的设计，使其在结构上更加坚固、在生物力学上更加适应，并且能够实现个性化定制。

为了实现动态监测，本研究引入了一种基于碳纳米管（CNT）的应变传感器。传统的应变测量方法，如应变片和压电传感器，虽然在某些应用中有效，但它们通常体积较大、质量较重，并且需要复杂的信号调理设备。此外，这些方法在动态应用中，如跑步假肢，缺乏所需的灵活性、耐用性和灵敏度。相比之下，本研究开发的基于CNT织物的应变传感器具有更高的灵活性、耐用性和应变分辨率。其能够适应假肢叶片的曲面结构，确保在不损害机械性能的前提下进行准确的测量。评估任何应变传感器性能的关键指标之一是应变系数，它量化了施加应变与电阻变化之间的关系。简而言之，应变系数反映了传感器对机械变形的敏感程度。较高的应变系数意味着即使是非常微小的应变也能引起显著的电阻变化，从而能够检测到细微的变形。基于CNT的应变传感器通常表现出较高的应变系数，范围从约1到超过1000，具体取决于CNT的类型（单壁或双壁）、传感器的制造工艺和工作原理。本研究中使用的基于CNT的传感器具有较高的应变系数（25.9），使得应变分辨率得到了显著提升，能够更有效地捕捉细微的应变变化。除了假肢应用，基于CNT的应变传感器在柔性电子、可穿戴运动追踪、机器人技术和结构健康监测等领域也得到了成功应用。它们在重复载荷下的机械稳定性和可伸缩性使其成为高变形环境的理想选择。在假肢运行叶片的背景下，集成这种高灵敏度和高灵活性的传感器阵列能够实现在动态步态条件下的实时机械行为评估，从而有助于优化叶片几何形状和材料分布。这不仅支持疲劳缓解，还能提升性能并增强用户舒适度。无线数据传输在实际应用中对于长期应变监测至关重要。与有线传感器相比，无线传感器能够实现连续的数据采集，而不会干扰用户的运动自由。这种技术进步支持了假肢设计的持续改进，从而推动了更加适应性、个性化和坚固的解决方案的发展。

本研究的目标是评估弹性模量、局部应变、应力传递和疲劳性能如何影响假肢运行叶片的动态机械行为，这对于提升假肢的响应性、耐用性和用户特异性性能至关重要。本文重点介绍了基于CNT织物的传感器阵列及其信号调理电路的开发，用于在假肢叶片的不同位置测量应变。此外，还研究了如何将开发的无线传感器阵列集成到C形假肢叶片中，并通过严格的测试评估假肢在不同活动条件下的机械性能。这种实验设置为未来基于产品结构健康监测、人体运动监测和假肢运行叶片应变监测的研究奠定了基础。假肢叶片和其他弯曲辅助设备的应力-应变关系为研究提供了重要的机会和迫切的需求。

为了分析假肢叶片的性能，研究团队首先使用SOLIDWORKS创建了下肢假肢设备的三维模型，并将其导入ANSYS工具箱中进行仿真分析。在仿真设置中，假肢叶片被固定在底部，而顶部施加了1400牛的垂直向下力。这些数据来源于一位身高1.72米、体重70.9公斤的男性，在自选速度下跑步时的测量结果。假肢叶片所使用的材料是E玻璃和环氧树脂碳编织的395预浸料。通过这种仿真方法，研究人员能够更准确地识别假肢叶片在不同活动条件下的应力分布情况，从而为后续的实验和实际应用提供理论依据。

在传感器阵列的设计方面，研究团队开发了一种用于测量叶片不同位置应变的柔性传感器阵列。这种传感器阵列由聚二甲基硅氧烷（PDMS）填充碳纳米管（CNT）织物制成，能够适应叶片的曲面结构，同时保持其机械性能不受影响。为了捕获这些应变数据，研究人员还设计了一套数据采集电路，能够有效地将应变信号转换为可处理的电信号。这一过程不仅提高了测量的准确性，还确保了数据的稳定性和可靠性。此外，传感器阵列的布局经过精心设计，以确保在叶片的关键部位能够获得全面的应变信息。这种布局包括脚跟、脚趾和中部区域，这些区域在跑步过程中承受不同的应力和应变，因此需要单独监测。

在数据传输和接收方面，研究团队利用Wi-Fi模块集成到微控制器中，实现了无线数据传输。ESP32开发板因其多任务处理能力、低功耗和稳定的性能而被选为数据采集系统的核心组件。这些开发板配备了内置的Wi-Fi模块、天线和电源引脚，简化了数据预处理和外围模块的管理。通过编程，研究人员能够实现数据的实时传输和接收，从而确保在动态测试过程中能够连续获取高精度的应变数据。系统采用的采样率为100赫兹，能够有效捕捉叶片在不同活动条件下的细微应变变化。这种高频率的数据采集不仅提高了测量的分辨率，还为后续的数据分析提供了足够的细节。

本研究的结论表明，基于CNT织物的应变传感器在假肢叶片的动态评估和优化中具有显著优势。通过将这些传感器嵌入C形假肢叶片的曲面结构中，研究人员能够实现对叶片在不同步态条件下的高分辨率实时监测。与传统的应变测量方法相比，这种新型传感器系统不仅提高了测量的精度，还增强了数据的实时性和可操作性。此外，无线数据传输的引入使得研究人员能够在不干扰用户运动的情况下，持续收集和分析应变数据。这种技术的应用为假肢设计提供了新的视角，使得设计师能够基于实际使用条件进行优化，从而提高假肢的耐用性和用户舒适度。通过这种传感器系统的集成，研究人员为未来的假肢开发提供了更加全面和精确的评估手段，推动了假肢技术向更加智能化和个性化方向发展。