预应自张拉模块赋柔性的张拉整体拐杖改善地面反作用力分布、速度、费力程度、舒适度及感知稳定性

Tensegrity crutches with compliance from a pre-stressed self-tensile module improve ground reaction force profiles, speed, effort, comfort, and perceived stability

目的：美国有600万人使用拐杖作为移动辅助工具。传统刚性设计缺乏轴向移动能力，限制了感觉反馈并导致上肢关节继发性损伤。弹簧加载设计虽具备顺应性但可能影响稳定性。我们设计了一种受生物启发的张拉整体拐杖，其顺应性模块旨在实现更优的力学特性。终端模块采用预应力自拉伸双单元张拉整体结构。本研究通过轴向加载、平地直行及转弯行走的力学测试，以及受试者体验评估，将张拉整体拐杖与商用刚性及弹簧加载拐杖进行了对比。方法：在人体试验中，近期无下肢损伤的健康青年（N=18）以自选舒适步速完成直行及转弯行走测试。通过膝部阻滞器模拟优势侧肢体单侧损伤。受试者在使用每种拐杖后，报告其感知的用力程度、舒适度、疼痛感、稳定性及可用性。结果：与刚性设计相比，弹簧加载及张拉整体条件均降低了峰值载荷率。张拉整体设计改善了用力程度、舒适度、疼痛感及可用性。弹簧加载拐杖则降低了感知稳定性及行走速度。结论：受生物启发的张拉整体拐杖较现有设计具有全面改进。仿真模拟及力学测试表明，非线性刚度、地面跟随及力反馈是支撑这一改进的有益力学特性。