制造刀锋战士

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如果你觉得不断被打破的那些奥运会世界记录已经没什么稀奇的话，那么下面这个故事可能会让你觉得更励志一些。

南非短跑运动员奥斯卡·皮斯托瑞斯（Oscar Pistorius）来了，带着他标志性的黑色刀片式假肢，出现在伦敦奥运会上。他成为了第一位参加奥运会而非残奥会的残疾人运动员，他被称为“刀锋战士”。

这是对奥运会历史一次角度独特的改写。这一幕除了让人感叹对“更高、更快、更强”的追求已经到了如此境界之外，也让许多人第一次意识到，原来假肢也可以这么炫酷和灵活。

想想看，在此之前，大多数人对“假肢”这个词的第一印象，恐怕还停留在笨重的木头以及那些僵硬的造型上。但忽然之间，已经有人穿着假肢与那些身体素质最好的奥运会选手一较高下了。这恐怕是现代意义上的假肢自1930年代被发明后最鼓舞人心的一幕。

这也是一次技术的胜利。“使用假肢跑步的难度可不只是踩高跷而已。”奥索（）注册假肢制作师张说。

奥斯卡脚下那对黑色的刀片式假肢正是来自这家位于冰岛的假肢器材公司，产品被称为“飞毛腿印度豹”（Flex-Foot Cheetah，下文简称为Cheetah）。如今，残奥会上几乎90%的运动员使用的都是奥索公司两款产品：Cheetah和另一款专为长跑设计的Flex-Run。

奥斯卡的成功背后既有他个人的天赋和努力，同样也仰赖于假肢技术的发展。

最初的Cheetah是由一位名叫Van Philips的美国人在20多年前设计的，他的灵感来自于奔跑中的印度豹和一把自家收藏的中国古刀。

当时，传统假肢的造型大都模拟人类肢体，又采用僵硬笨重的材料，非常不利于使用者行走。这源于当时假肢设计中一个毫无科学依据的误解，认为假肢必须和原有肢体同等重量才行。

Van打破了这种做法。他设计的“J”字型假肢，其弧度能在着地时最大限度地吸收、缓冲能量，然后在离地时释放出去。而为了寻找合适的材料，他想到了当时被运用在航空飞行器上的碳纤维。这种材料不仅轻质，还能储存并返还更多能量，可以很好地突破传统假肢技术的一些难点。

“对于假肢来说，模拟自然的步态一直是最大的困难。”麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）主任Hugh Herr告诉《第一财经周刊》。他们发现，正常人走路的时候，脚踝本身会先承受身体重心前移的压力，吸收能量进行缓冲，之后再转化成对身体的回弹力，这样才不会走得很累。传统的假肢根本不可能实现这点，而“J”型结构可以解决这些问题。

因为使用了碳纤维，Cheetah的重量只有500多克。根据测试，Cheetah能返还90%的能量，而正常人的脚踝返还能量的比例大概在249%左右。不过张扬说，对于假肢而言，90%的返还能量比例已经是个很不错的突破。

Van Philips开创的“J”字型和碳纤维材料已经成为了新一代假肢的经典配置。Cheetah更大的意义还在于，它掀起了假肢科技的一轮技术创新。

由Scott Sulprizio和College Park公司在2009年共同研发的Soleus脚板就是其中之一。与Cheetah相比，Soleus的结构更加复杂，每个脚板都被装上了5个弹力装置，分别位于脚后跟两侧、中部和足尖，由足弓弹类似肌腱材料制作的弹力装置连接在一起。

“这5个弹力装置形成一个金字塔形的整体，可以从后往前依次发挥作用，让行动变得更加流畅。”College Park的设计师Mike Leydet说。这可以解决过去假肢使用者在走路的时候，感觉脚板在“撞墙”一样僵硬的问题。

Soleus在功能上也更进一步。这种五合一的弹力装置不仅能满足竞技体育的需求，也能适应日常的行走。而相比之下，即使是受过训练的运动员，用Cheetah走路也不是件轻松舒服的事情。许多运动员可能会选择用Cheetah参加比赛，但日常训练则会使用Soleus。

这是因为这种产品在传统碳材料的基础上，还添加了一种含碳3D材料。Mike透露这种材料绝对是行业里独一无二的，能最大限度地提供回弹力，并且适应不平整路面。

要把这个结构复杂的弹力装置从图纸变成产品并非易事。假肢从某种意义上来说，是极其精密的器械。每一根弹簧的弧度、每一个连接点的位置都需要经过精密的测算，以保证整体的最佳回弹效果。为此，College Park甚至同技术公司PTC合作开发出一款CAD软件，专门用于绘制Soleus脚板的3D模型。

Soleus从概念到最终产品花了整整4年的时间。因为每一个假肢不仅要经过机器的加速试验，达到至少200万次以上的强度和耐久度测试，还要通过志愿者的测试。具体多长时间因人和产品而异，没人能够准确预测。

即便是奥索的飞毛腿系列或者College Park的Soleus，眼下仍然存在一个很大的局限。它们都只能应用在一至两个运动场景，年轻人和老年人在肌肉力量、活动量方面的差异也加大了假肢产品的复杂性。相比之下，正常人只需要一双腿就可以完成跑步、走路、登山、攀岩、游泳等等各种活动。理论上，假肢应该也可以做到这一点—这是假肢技术下一步需要突破的天花 板。

最有希望解决所有这些问题的是一项正在发生的技术革命：智能仿生假肢。与传统假肢不同，智能仿生假肢最大的特点就是拥有传感器和微处理器，会“主动学习和思考”。

前面已经提到的麻省理工学院媒体实验室主任Hugh Herr，其实也正是这方面的先驱人物。同样是一个双腿截肢者，他称呼自己是“由钛、硅和碳以及各种零部件组成的生物”。从15年前开始，他就一直在观察和研究人走路的时候每一块肌肉是如何运动的，记录它们的动态和受力情况，还做成了分析报告，用机器去模拟每一个细节。

2011年初，他干脆自己组建了一家公司iWalk，将研究成果智能假肢PowerFoot投产。PowerFoot拥有12个传感器和3个指甲大小的微型处理器，当然还有电池和马达。当装上PowerFoot之后，只需要挪一小步，传感器就会感知到使用者的运动，并自动记录力度、速度、路面等情况。此时处理器会做出相应的反应，指挥马达，调整假肢的状态。因此只要使用者开始迈步子，PowerFoot就会自动进入工作状态，适应不同的场景。

这对设计和材料提出了更高的要求。要让更多使用者接受这种产品，马达必须足够安静，因为没人愿意走路的时候发出奇怪的声音，电池续航能力也需要足够强，而且还不能太重，需要经得起千万次迈步的磨损。

这家公司的最新产品是BiOM智能脚板。在使用传统假肢产品的时候，使用者需要花费比健全人多10%至30%的力气，他们往往走得更慢，而且不稳。BiOM能通过一系列的传感器自动感应路面情况。与PowerFoot相比，BiOM可以更精细地实时调节脚踝和脚板之间的角度，让使用者走得更稳，并且自动适应不同的路面。另外，内置的马达功能也得到了提升，会在脚尖离地的时候产生推动力，帮助使用者迈步，使假肢使用者走路时所花费的力气与正常人一样。另外它还能自动感应步速快慢，调整力量大小。

尽管智能假肢已经实现了商品化，可以让截肢者更加轻松、自然地行走。不过现在要实现大量普及，价格还是最大的阻碍因素。这些产品往往价格不菲，有的甚至与一辆奥迪汽车相当。

要降低这些产品的价格与多种因素相关。而科学家们还有另一个计划，他们想让假肢真正成为人体的一部分，甚至产生感觉。如果能够最大限度减少对外部机械和传感装置的依赖，这说不定可以成为一种更廉价的解决方法。

Hugh Herr的实验室里已经拥有能联通人体神经系统的智能假肢，在他看来，这根本没必要大惊小怪，因为大脑对于肢体发出的信号本身就是一种电流，完全可以用电子元件进行模拟。只需要事先在人体里以及假肢的肌肉上植入电子元件，通过这些电子元件接收和释放信号，信息就能通过假肢传递到人的大脑了。“这并不是什么大手术。”Hugh Herr强调说。他需要解决的是可靠程度的问题。

另一位美国科学家托德·库依肯（Todd Kuiken）已经把这种可用思维直接控制的智能假肢装在了失去手臂的美国退伍士兵身上。虽然截肢手术让病人失去了肌肉与骨头，但其伤口处仍然有神经连接，可以用于大脑的控制。托德的做法相当于重新“设计”这些神经。通过手术，他将假肢的控制神经与肢体里原有的神经联通。目前他和他的团队正致力于将这项成果应用在腿部假肢上，尽管这会更加复杂。

根据《麻省理工科技》的报道，杜克大学医学中心（Duke University Medical Center）的米格尔·尼可雷里斯（Miguel Nicolelis）实验室还在进行一项前所未有的尝试：对触觉信息进行解码，最终把触觉融入到假肢中去。它们的试验已经在动物身上取得了成果。这意味着未来当一个人戴着假肢赤脚走上沙滩，他会感觉到“这是沙子”，并做出相应的反应。

这些令人兴奋的实验成果都表明，假肢在未来将不再是类似拐杖的辅工具，还可以成为帮助人类突破人体极限的智能工具。再回过头来看奥斯卡在伦敦碗的出现，其实只是一个开端。

“当我80岁的时候，我可以比那些健全的80岁老人走得更稳、更省力。虽然我的身体机能会衰老，但智能腿，从某种意义上来说，是不会衰老腐朽的。”Hugh Herr说。

那么，就是现在，你可以开始想象一位80岁的“刀锋战士”了。