上肢假肢的發(fā)展已迎來關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，正從被動(dòng)式或身體驅(qū)動(dòng)型設(shè)備向高度精密的仿生系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。這一變革在很大程度上依賴于材料工程，先進(jìn)復(fù)合材料在減輕結(jié)構(gòu)重量和提升耐用性方面發(fā)揮著決定性作用。

Psyonic 公司研發(fā)的 “能力手”（Ability Hand）正是這一融合的典型例證，為康復(fù)專業(yè)人員提供了集速度、力量和關(guān)鍵觸覺反饋于一體的前所未有的工具。

上肢假肢市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)與挑戰(zhàn)

流行病學(xué)和人口結(jié)構(gòu)因素推動(dòng)了對(duì)高端上肢假肢的需求增長(zhǎng)，催生了一個(gè)快速發(fā)展的高性能仿生設(shè)備市場(chǎng)。大量需要先進(jìn)肢體替代解決方案的人群，凸顯了持續(xù)創(chuàng)新的必要性。例如，美國(guó)截肢者聯(lián)盟（Amputee Coalition）報(bào)告顯示，美國(guó)每年新增截肢病例近 18.5 萬(wàn)例，預(yù)計(jì)到 2050 年，肢體缺失患者人數(shù)將達(dá)到 360 萬(wàn)。這種迫切需求驅(qū)動(dòng)著市場(chǎng)增長(zhǎng)。

2024 年，全球上肢假肢市場(chǎng)規(guī)模介于 7.593 億美元（6.51 億歐元）至 9.57 億美元（8.204 億歐元）之間，預(yù)計(jì)到 2034 年將增至 15.8 億美元（13.5 億歐元），預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）約為 5.0% 至 5.7%，增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁。該領(lǐng)域的增長(zhǎng)與材料創(chuàng)新密不可分，全球超過 220 萬(wàn)件假肢采用碳纖維復(fù)合材料制造，這得益于其卓越的耐用性和輕量化特性。具有優(yōu)異強(qiáng)度重量比的結(jié)構(gòu)材料至關(guān)重要，可確保假肢易于操控，且不會(huì)給殘肢帶來過度疲勞。

復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)的核心優(yōu)勢(shì)：輕量化與高強(qiáng)度

“能力手” 的核心臨床優(yōu)勢(shì)直接源于材料選擇，其整體重量約為 490 克，比普通人類手部輕 20% 左右。輕量化至關(guān)重要，因?yàn)檩^重的假肢會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，導(dǎo)致肌肉和關(guān)節(jié)更快疲勞，往往會(huì)被使用者放棄。通過大幅減輕重量，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提高了假肢的接受度，并促進(jìn)本體感覺整合。該設(shè)備還具備強(qiáng)大的耐用性，達(dá)到 IP64 防護(hù)等級(jí)，可抵御飛濺和潑灑，這對(duì)于日常高強(qiáng)度使用至關(guān)重要。

碳纖維的整合是“能力手” 設(shè)計(jì)的基石，確保了輕量化、剛性和耐用性的關(guān)鍵平衡。該設(shè)備采用碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料，其機(jī)械性能優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度通常在 3.5 吉帕至 6.0 吉帕之間。這一性能表現(xiàn)極為突出，在強(qiáng)度重量比方面超越了包括鋼材在內(nèi)的大多數(shù)材料。除了高拉伸強(qiáng)度，碳纖維還具有出色的抗壓強(qiáng)度，能夠承受較大壓力。

對(duì)于仿生設(shè)備而言，其高剛度（楊氏模量）尤為關(guān)鍵—— 這種剛性可確?？焖俚募‰娭噶睿?.2 秒閉合時(shí)間）轉(zhuǎn)化為精確、可重復(fù)的動(dòng)作，且不會(huì)導(dǎo)致底盤變形。碳纖維增強(qiáng)聚合物的尺寸穩(wěn)定性和抗疲勞性，保證了設(shè)備在日常高強(qiáng)度使用中的持久性。此外，每個(gè)多關(guān)節(jié)手指都經(jīng)過工程設(shè)計(jì)，能夠承受鈍力沖擊而不損壞，這直接得益于碳纖維增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)。

混合制造工藝：平衡質(zhì)量與成本

Psyonic 采用融合增材制造與傳統(tǒng)復(fù)合材料模塑技術(shù)的混合制造流程，在保證高質(zhì)量的同時(shí)優(yōu)化了成本。該公司使用 Formlabs 等供應(yīng)商提供的立體光刻（SLA）3D 打印機(jī)制作碳纖維定制模具，用 3D 打印模具替代昂貴的計(jì)算機(jī)數(shù)控加工金屬模具，使 Psyonic 能夠快速迭代設(shè)計(jì)，并在無(wú)傳統(tǒng)財(cái)務(wù)壁壘的情況下進(jìn)行小批量生產(chǎn)。這些模具采用特定樹脂（如 Tough 1500 樹脂），以利于制造復(fù)雜的復(fù)合材料部件。

模具在內(nèi)部生產(chǎn)完成后，便開始碳纖維增強(qiáng)聚合物的成型過程，隨后應(yīng)用濕法鋪層、預(yù)浸料或樹脂傳遞模塑（RTM）等經(jīng)典復(fù)合材料制造方法。這種對(duì)碳纖維模塑的內(nèi)部管控，在保持成本競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，提升了 “能力手” 的耐用性和剛性。最終的結(jié)構(gòu)性能取決于纖維（通常源自聚丙烯腈，即 PAN）和基體樹脂（通常為環(huán)氧樹脂，Sicomin 等供應(yīng)商活躍于該技術(shù)材料領(lǐng)域）。

觸覺功能與觸感恢復(fù)：復(fù)合材料的關(guān)鍵支撐

“能力手” 的多項(xiàng)創(chuàng)新均得益于其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性，其中最重要的創(chuàng)新是其提供觸覺反饋、實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵感官恢復(fù)的能力。指尖集成的壓力傳感器可檢測(cè)握力，并向殘肢發(fā)送振動(dòng)信號(hào)。碳纖維底盤的結(jié)構(gòu)剛性是實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵 —— 高剛度確保觸覺電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)能夠高效傳遞，且不會(huì)通過假肢向殘肢組織過度衰減。這使得使用者能夠可靠地感知觸覺，從而精確控制握力，操控蛋殼等易碎物體而不使其破碎。

設(shè)備的控制通過檢測(cè)生物力學(xué)信號(hào)（即患者殘肢肌肉產(chǎn)生的肌電信號(hào)）實(shí)現(xiàn)，具有高度的交叉兼容性，可與大多數(shù)第三方控制系統(tǒng)配合使用，包括肌電模式識(shí)別系統(tǒng)（如 Coapt）和力敏電阻（FSR）。力敏電阻傳感器兼具估算握力和為集成感官反饋系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的雙重作用。在操作性能方面，“能力手” 的閉合速度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的 0.2 秒，續(xù)航時(shí)間約為 6 至 8 小時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn) USB-C 接口充電約 1 小時(shí)即可快速滿電。

結(jié)語(yǔ)

Psyonic 公司的 “能力手” 代表了假肢工程領(lǐng)域的重大進(jìn)步，成功兼顧了技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)可及性的雙重要求。碳纖維復(fù)合材料的專業(yè)整合是其成功的關(guān)鍵，在實(shí)現(xiàn)超輕量化設(shè)計(jì)（490 克）的同時(shí)，保證了卓越的結(jié)構(gòu)耐用性和高剛性（拉伸強(qiáng)度高達(dá) 6.0 吉帕）。通過將先進(jìn)材料科學(xué)與成本優(yōu)化的混合制造方法相結(jié)合，Psyonic 樹立了仿生護(hù)理的新標(biāo)準(zhǔn)，確保了高臨床性能、持久性和患者自主性的提升。