基于可编程超材料（programmable metamaterials）的多稳态手指假肢设计

《Advanced Engineering Materials》：Design of a Multistable Finger Prosthesis with Programmable Metamaterials

　　

形状变化以及保持规定变形的能力是被动手指假肢的主要要求。这些功能目前通过带锁止元件的螺纹铰链实现。由结构化单材料构成并同时承担多种功能的可编程超材料，可通过提供一种非组装且可持续的途径来改进假肢设计。本研究提出了一种可编程超材料的构型，其将弯曲结构与多稳态结构相结合，可实现最大90°弯曲，并在30°步长处具有稳定构型。形状变化由施加机械力激活，且无需耗能即可保持。研究人员采用增材制造工艺加工热塑性聚氨酯（TPU）与热塑性共聚物（TPC）等聚合物基材以实现所需大变形，并采用超弹性模型进行数值描述。研究人员构建并由丝材打印制成了一具分层结构演示件，展现出含16个稳定构型的预期行为。实验表明，达到目标弯曲角30°、60°及90°的精度良好（偏差≤6.5°），且可重复性高（标准差<2°）。

研究背景与动机

在现代医学中，缺失肢体由主动或被动假肢替代；被动手指假肢除美学要求外，必须具备可调形状（手指弯曲）功能。商用方案依赖螺钉关节与棘轮机构，多部件装配复杂；文献中传感器—电机驱动方案需外部作动且永久耗能，气动或拉索方案亦需持续外力维持形变；双稳态矫形器仅辅助伤指而非替代。柔性机械超材料（flexible mechanical metamaterials）借助介观尺度（meso-scale）结构化单元实现大变形与形状可变，其中柔顺机构（compliant mechanisms）与拉胀单元（auxetic unit cells）分别均化应变与促横向扩张；可编程超材料进一步在刺激下切换性能，而双稳态（bistability）因弹性能局部极小可提供无耗能保持的第二稳态。基于此，研究人员拟以单材料、非组装、无永久耗能的可编程超材料替代传统手指假肢铰链。

主要技术方法

研究人员将功能在物理空间上分离为弯曲段与多稳态段并行开发：弯曲段改良自Shaw等的定向柔顺肘部超材料，简化为圆形去封装缺口（deencapsulated notch）结构，以缺口间距k与缺口角α为参数，在Ansys中用线弹性模型（E≈70 MPa，ν≈0.49）做二维壳单元参数扫描，并以FFF（fused filament fabrication）打印TPC样件做拉伸验证；多稳态段采用三维双稳态单元（平行双梁+刚性内核+连续背板），以单元角β与铰链梁厚t_b为变量，在Abaqus中用Neo-Hooke超弹性本构与大变形接触算法做全解网格四面体模拟，并以CalculiX求解周期边界问题建立均匀化降阶模型（reduced-order homogenized model）以快速预测三单元串列力—位移曲线；制造端对比FFF（TPC，0.4 mm喷嘴）与SLS（TPU 88A粉末）工艺，演示件按成人男性中指尺寸分层缩放（120%与100%关节段）打印。

研究结果

3.1 弯曲结构分析：通过参数研究得出缺口间距k越小则同载下转角γ越大、弯曲刚度B与理论铰链长G越小；缺口角α约30°时转角最大，兼顾刚度与铰链长取α=30°。五种改型中，去封装+圆缺口组合在应力不超限下实现约100%转角，加肋后抑制横向剪切，三个单元串联即可达90°弯曲且铰链长落入人指范围，实验力—位移曲线与仿真趋势一致（刚度偏差约?12.7%）。

3.2 多稳态结构分析：均匀化模型显示β增大则力势垒与二态位移同步增大；t_b在0.4 mm附近出现双稳力极小值（弹簧回推与低刚度幅值竞争）。全解网格与均匀化模型（线/二次四面体型）力—位移吻合良好；三单元串列仿真清晰呈现三次snap-through。FFF与SLS打印单关节均现四稳态（原态+三态），FFF样件五次方重复测试态变力阈首态0.6–0.7 N、次态0.6–0.8 N、三态1.0–1.3 N，标准差0.04–0.06 N。

3.3 弯曲与多稳态结合：取β=55°、t_b=0.4 mm使单元延展4 mm对应30°步长；为令弯曲力（≈0.3 N@4 mm）低于双稳回复力（≈?0.3 N），去掉中部肋与上半缺口间肋以降弯曲刚度。150%缩放关节FFF/SLS均显多稳；100%缩放时t_b=0.4 mm逼近打印极限致SLS细梁脆断，故定量以FFF为主。

3.4 手指假肢演示件：两段关节（120%接手掌、100%接远节）加分指尖构成中层级指形，FFF打印。两关节角各取0°/30°/60°/90°自由组合得16态；目视测得近节—手掌角均值32.4°/64.8°/90.8°（std 1.0/0.4/0.7°），远节—近节角33.1°/66.5°/91.0°（std 1.2/1.4/1.1°），偏差≤6.5°、std<2°，达到设定目标，但稳态间力势垒小致整体刚度偏低。

讨论与结论翻译

讨论指出，所提可编程超材料以单材料、非组装、无永久耗能实现90°弯曲与多稳态，层级构型演示件获16态，证实该思路在美学手指假肢中的可行性，并可拓展至自适应夹爪与消费品。局限在于打印特征尺寸（t_b=0.4 mm）敏感、SLS细梁脆、稳态力势垒低致承力不足；后续需耦合优化弯—稳交互、引入SLS自由度、考虑粘弹性与温湿环境、量化制造公差与疲劳。若嵌入热/磁/电响应基材，可迈向机器人复杂系统。

结论部分译文：可编程超材料在需显著形状变化兼多稳的应用中潜力突出；凭单基材可提升可持续性并减装部件，本研究将其用于正交美学手指假肢，亦可适于自适应夹爪等领域。层级结构使单材料同时满足多能，参数化缩放适配边界与载荷。研究者通过功能分离与数值协调几何参数，兼顾90°弯曲与多稳态，无装配制成16态指演示件。进一步可优化弯—稳耦合、换基材或SLS工艺提承力、在设计期纳入粘弹性与率相关、考察饰皮涂层与残肢接口及成本；响应基材的引入将扩至机器人应用。论文发表于《Advanced Engineering Materials》。