一种用于可穿戴人机界面的动态自适应软超材料 ——Roliner，为截肢者带来新希望

为解决传统假肢穿戴不适、适配性差的问题，研究人员开展了关于动态自适应软超材料 Roliner 用于可穿戴人机界面的研究。结果表明，Roliner 能实时重构，提升适配性与舒适度，且在临床前研究中展现优势，有望改善截肢者生活质量。

　　在日常生活中，我们的身体会不断改变形状，然而对于数百万截肢者来说，他们每天佩戴的假肢却存在诸多问题。肢体因创伤、疾病等原因缺失后，截肢者需借助假肢恢复行动能力，但传统假肢在与身体连接部位的适配性上表现欠佳。现代假肢通常由硬聚合物或聚合物复合材料外壳搭配中间的软衬套构成，可即便如此，由于截肢者残肢会因肌肉萎缩、年龄增长、身体脂肪或水分变化、术后水肿以及锻炼等因素，不断改变形状和体积，导致假肢适配问题依然突出。比如，仅美国就有超 210 万截肢者，预计到 2050 年这一数字将升至 420 万，而适配不佳不仅会让截肢者感到不适，还可能引发残肢疼痛、溃疡甚至二次截肢。因此，研发能更好适配残肢变化的假肢材料迫在眉睫。

在此背景下，伦敦帝国理工学院（Department of Bioengineering, Imperial College London）等机构的研究人员开展了关于动态自适应软超材料用于可穿戴人机界面的研究 ，相关成果发表在《Nature Communications》上。该研究旨在开发一种新型材料，以解决传统假肢适配性差的难题，为截肢者提供更舒适、有效的假肢穿戴体验。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：开发新的制造技术，通过在硅胶层中嵌入蜡纸图案制作具有微流体通道的 Roliner；对 Roliner 的材料特性进行全面表征，如测试拉伸（TE）、压缩（CE）和体积（VE）弹性；设计并制作便携式电动气动控制单元，实现对 Roliner 的精准控制；开展临床前人体试验，通过步态分析和问卷调查评估 Roliner 的性能。

研究结果如下：

• Roliner 的设计与制造：Roliner 是一种基于微流体的自适应假肢衬垫，具有可重构的机械性能、电动气动控制和云计算个性化定制等特点。研究人员利用硅胶与其他材料不粘连的特性，通过在半固化硅胶上放置蜡纸图案，再浇筑硅胶的方法，成功制造出嵌入微流体通道的 Roliner。这些通道在未加压时近乎零体积，加压后可膨胀成 3D 结构，且 Roliner 整体厚度能满足假肢衬垫的要求12。
• 材料特性研究：通过实验发现，Roliner 的拉伸、压缩和体积弹性可通过调节微流体通道内的压力进行动态调整。例如，拉伸弹性实验中，材料的拉伸性可随通道内压力变化而改变；压缩弹性实验表明，随着通道内可压缩流体（CO₂气体）与不可压缩材料（硅橡胶）质量比的增加，材料的压缩弹性增大，且能匹配甚至超越聚氨酯（PU）的机械特性；体积弹性实验则显示，该材料在体积变化方面也具有良好的适应性，这些特性为假肢衬垫的舒适性和控制性能提供了保障34。
• Roliner 的性能测试：在实际应用中，Roliner 作为假肢衬垫能发挥重要作用。一方面，它能增加舒适度和适配性，通过施加压力，Roliner 可产生向内的驱动力，增加衬垫与残肢和假肢之间的摩擦力，从而提高假肢的悬挂力（F_S），防止假肢在运动中滑落。实验显示，Roliner 在加压时能产生高达 350N 的驱动力（F_A），增加加压区域和压力可使 F_A超过 1000N，同时可大幅提升悬挂力 F_S，最高可达 300N 以上 。另一方面，研究人员设计的便携式电动气动控制单元，体积小、重量轻、容错性强，可通过电池供电，使用二氧化碳气瓶作为气源，能有效控制 Roliner 的微流体通道压力，且该控制单元可持续使用 8 天56。
• 临床前人体试验验证：研究人员对 6 名不同背景的截肢者进行了临床前人体试验，将 Roliner 与传统 “被动” 衬垫进行对比。通过步态分析发现，Roliner 不会妨碍参与者的自然步态，且在部分指标上有所改善，如部分参与者的站立时间得到优化。同时，通过问卷调查（PEQ）评估主观体验，结果显示 Roliner 在假肢效用、行走、挫折感和残肢健康等方面均有显著改善，所有截肢者都认为 Roliner 在适配性上更优，使用体验更好78。

研究结论和讨论部分指出，Roliner 作为一种可重构的软超材料复合材料制成的机器人衬垫，能与现有假肢插座兼容，其机械性能可动态改变，模仿其他弹性体的特性。它无需专业技术人员手工定制，通过简单操作就能改善假肢适配性，延长假肢插座的使用寿命。例如，在临床前研究中，一位体重快速下降 20kg 的截肢者，佩戴 Roliner 后立即解决了假肢适配问题。此外，Roliner 采用医疗级材料，符合相关标准，具备大规模生产的潜力。不过，目前 Roliner 也存在一些问题，如小批量生产时材料成本较高，便携式控制单元价格昂贵且需使用二氧化碳墨盒作为耗材，临床前研究的样本量和持续时间有限。但总体而言，Roliner 为截肢者带来了新的希望，未来有望进一步优化并广泛应用，同时这种可重构的软超材料复合材料还有望应用于其他可穿戴设备领域，如膝关节支具、滑雪靴和外骨骼等，具有广阔的发展前景。