《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：The variable stiffness orthosis: customizable mechanics for assistance and rehabilitation
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背景：社区移动障碍是全球最普遍的残疾之一，但日常使用的被动矫形器数百年来基本未变；研究人员开发的动力矫形器进展迅速却未能匹配用户影响率，迄今无日常可用动力踝足矫形器，瓶颈在于可靠性、安全性、重量、噪声与成本。本研究旨在挖掘被动机制的未开发潜力，作为将改善功能更
背景：社区移动障碍是全球最普遍的残疾之一，但日常使用的被动矫形器数百年来基本未变；研究人员开发的动力矫形器进展迅速却未能匹配用户影响率，迄今无日常可用动力踝足矫形器，瓶颈在于可靠性、安全性、重量、噪声与成本。本研究旨在挖掘被动机制的未开发潜力，作为将改善功能更快速转化给依赖矫形器人群的路径。为此，研究人员开发了兼具被动与准被动机制、可呈现通常归因于动力设备能力的矫形器，模糊了动力与被动功能的界限。
方法：研究人员提出变刚度矫形器(VSO)，一种在功能性与日常实用性上平衡动力与被动踝足矫形器(AFO)的装置。VSO的扭矩-角度关系可通过基于凸轮(cam-based)的传动定制，借助凸轮切换机制在步态相位间互换，并借助电动弹簧支撑在不同活动间软化或刚化。这些机制实现对扭矩-角度关系的精确控制，包括连续变刚度、能量储存与释放解耦、步间刚度幅值调整、步态相位间能量交换、步态相位间平衡角改变、负刚度与极值刚度。上述能力在旋转测力计上验证，并在有无坐骨神经损伤的受试者中试点测试。
结果：测力计测试核实了VSO能力。试点测试中受试者表现出活动依赖的刚度偏好且范围大。使用VSO后，坐骨神经损伤受试者在与其日常使用设备对照行走时，患侧AFO侧垂足减少、总踝力矩增加、生物踝力矩减少、趾击地减少、跨步式步态(steppage)减少。
结论：本工作证明VSO内被动与准被动机制可复现诸多动力功能，扩展无动力设备能力边界。VSO同时展现出作为日常使用设备、矫形处方临床工具及探索未开发被动力学研究工具的潜力。
研究背景方面，社区移动障碍（如行走与爬楼困难）是全球高发残疾，踝关节在平衡与推进中起关键作用，但现有标准被动动态踝足矫形器(PD-AFO)多为固定线性刚度，无法在步态周期内或跨活动调节扭矩-角度关系，导致在坡道、楼梯等非平地场景成为负担，且难以还原健康踝关节的净正功率与时空变刚度特性。动力踝足矫形器虽功能强，但因可靠性、安全、重量、噪声、成本问题均无日常可用产品。为填补用户需求与日常设备能力间的鸿沟，研究人员开展变刚度矫形器(VSO)研究，发表于《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。
关键技术方法上，研究人员基于变刚度假肢踝足(VSPA)与凸轮切换策略，构建重987 g的准被动踝足矫形器(VSO)，集成三大可变刚度机制：基于凸轮(cam-based)的被动传动、基于永磁体的被动凸轮切换模块（含单凸轮与解耦储能回释DESR模块）、由直流电机驱动丝杠的准被动电动弹簧支撑；样本为无损伤与坐骨神经损伤成人受试者，在旋转测力计与平地/坡道/楼梯行走中试点验证。
研究结果部分，设计概述表明VSO位于小腿外侧，峰值扭矩80 Nm，刚度范围-52.4至5.9 Nm/deg，能效91.3±2.8%，凸轮传动实现连续变刚度与非线性扭矩-角度关系编程，单凸轮模块加载卸载同构、DESR模块借静动凸轮与钕铁硼磁体在预定踝角切换以改变平衡角并跨步态相位回收碰撞能，负刚度与极值刚度通过叶簧预载与凸轮凹度利用预载能模拟动力等距功能，叶簧与电动支撑在摆动相无载时由电机调有效长度实现活动间软硬调节。测力计表征核实了连续变刚度、负刚度、极值刚度及DESR能量交换；试点测试中，坐骨神经损伤受试者垂足、趾击地、steppage减少，总踝力矩升、生物踝力矩降，无伤受试者呈现大范围活动依赖刚度偏好。
讨论与结论翻译：本工作表明VSO内被动与准被动机制可复现诸多动力功能，扩展无动力设备能力。VSO同时作为日常使用设备、矫形处方临床工具及探索未开发被动力学的研究工具具潜力。
全文总结而言，研究人员通过凸轮编程、磁控相位切换与准被动电机调刚三机制融合，使无动力AFO具备连续变刚度、跨相位平衡角跳变、负刚度、极值刚度及能量回收等原属动力系统的力学行为，在测力计与神经损商受试者中证实其矫正垂足与降低生物代偿的价值，为被动矫形器从“固定弹簧”走向“可定制力学”提供可转化路径。
