義肢vs步態
人體的步態，是一門專業，看似簡單的走路，全部過程和行走時的整體平衡相關，所以我們才能平順、穩定地持續行走。那麼如果不幸截肢，現在已經有相當精緻，價格高達兩萬五千美元的義肢，在穿上後，能讓患者完整呈現出原來的步態。這可歸功於輕質舒適的材料、機械控制技術和步態分析的整合發展，我們不難見到高單價的下肢義肢，裝有陀螺儀、加速度規，甚至還有液壓和碳纖維材料的關節設計；另外也有經過3D掃描，逆向複製出患者健全下肢的外型圖檔(CAD)，再做鏡像處理，並製作出擬真的外型皮膚。然而，以上這些豪華級的醫療方案，在每天每人收入不到五美元的開發中國家，是不可能的事情。
簡單設計的膝關節
如果先不考慮使用電子電機設備，也不採用液壓裝置和高價複合材料。那麼，要如何只用簡單的設計，既可降低成本，又能達到擬真步態的效果，還可耐久使用且簡單維護，成為設計這種義肢的主要課題。而整支義肢的設計，又以膝關節為首要關鍵，因為人類行走時，膝關節的轉動牽動著行走時的力學平衡，而如果只是單軸旋轉的膝關節，在實際使用上有不易平衡的問題。
彈簧和阻尼器
美國「麻州理工學院」(MIT)的工程師，以假設人體軀幹、大腿、小腿、腳為四個部分，分析二維的模擬步態行走時的力學行為，並以質量較輕的材料參數代入模型，計算出股骨關節和膝蓋的「力矩」(torque)，根據這些數據，開發了一款只需要一根「彈簧」(spring)和兩個「阻尼器」(damper)的膝關節(點這裡看圖片)，彈簧用來在行走時，腳離地後讓小腿往前彎，而兩個阻尼器的作用如同煞車的功能，一個用來防止回彈，另一個則用來緩和向前的動作。這個簡單的設計只在模擬和真實膝蓋一樣能產生真實的步態，讓患者能夠很順的走路。由於這個膝關節的設計，預計在開發中國家使用，樣品已送至印度，正規劃讓截肢患者測試其性能與舒適度。
多軸設計
除了麻州理工學院，美國「史丹佛大學」(Standford University)也在四年前和位於加州舊金山的「D-Rev」公司合作，開發了一款人工膝關節「Standford Jaipur Knee」，第一代設計的產品只要$20美元，為了增加穩定性，使用多軸設計，輕量材質。這樣的親民價格，也是希望能在印度等開發中國家使用。目前這款設計已經過幾代的發展，不但減低了噪音(使用者一定不喜歡人未到、聲先到吧，走路時老是發出咿咿歪歪的怪聲會讓使用者很尷尬)，原本方正剛硬的外型也變得更加圓滑，售價約$80美元。
純機械設計
相較動輒要數萬美金的電動膝關節，不需要軟體與伺服馬達控制的單純機械設計，若能做到和真實步態效果相同，則顯得更為可靠、耐用、低成本，且使用普及率應該會高得多。在開發中國家，這種簡單設計的產品，對截肢患者相當有幫助，而不再視好用的義肢為遙不可及的夢想。
文章參考：D-Rev, MIT News
影片來源：D-Rev
圖片來源：USAID_IMAGES@Flickr CC BY 2.0
原文參考：IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering
