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至设计、材料和工程提供速度提升解决方案

时间:2021年10月04日

设计、材料和工程提供速度提升解决方案

至设计、材料和工程提供速度提升解决方案

1年前,美国残奥会金牌得主Blake Leeper向设计界人士发出约请,请他们帮助开发出更好的假肢。

Altair Thinklabs公司的工程和设计专员很快携手伊士曼化工公司做出响应,仅过了数月,他们已开发出了原型件,不但能帮助Leeper在比赛中取得更好的成绩,也能帮助生产出更好、价格更低廉的运动假肢,造福所有截肢者。

Altair公司的工业设计经理Craig Mackiewicz在8月13日⑴6日在美国奥斯汀举行的美国工业设计师协会年会上说:"我们斟酌用其他材料,比如玻纤来取代碳素纤维,以下降本钱加入各种助剂后经过物理改性后得到的1类热塑性塑料。"

诞生就但通过回收搜集和后处理的改变来提高材料质量的价格却是昂贵的没有小腿的Leeper装上了碳素纤维假肢参加残奥会100米、200米和400米比赛,还参加了4乘100接力赛。自从他2009年首次参赛以来,已在2012伦敦残奥会上夺得1枚银牌和1枚铜牌,并在其他国际性赛事中收获了金牌和银牌。2013年,他所在的接力赛队伍破了纪录。

他的目标不止是参加2016年的巴西残奥会,更是要作为美国队代表参加巴西里约热内卢的奥林匹克运动会,与身体健全的普通运动员同场竞技。要实现这1弘愿,他的400米比赛成绩还需要再缩短大约4秒。

Leeper在美国田纳西州Kingsport长大,而总部位于Kingsport的伊士曼公司很早就开始为他提供帮助,应用该公司在材料领域的技术专长,为他打造了面向公众展现才华的初期平台。

Altair公司则不但带来了产品设计能力,还包括工程和原型制造方面的广泛专长,且能对Leeper现有的假肢进行表现和强度的测试,同时还可以对提出的概念进行虚拟测试。

在开发进程的初期阶段,伊士曼和Altair公司在加州Pasadena的设计艺术中心学院举行了1场"设计风暴"研讨会,在这场内容充实的72小时研讨会上群策群力,广泛征集设计创意。会上,学生、工程师和设计师们观看了Leeper训练,与他谈论他在假肢适应性和表现方面遇到的问题。

小腿假肢由碳素纤维增强迫成,脚垫则用集成钉板制成。小腿假肢被连接到1个特殊设计的插座上,再将插座与他腿上的残肢部份相连。氯丁橡胶套套在残肢上,并利用1个单向阀门利用吸力固定假肢。

Altair公司还制作了1套"体验腿",这样其设计团队就可以大概了解只用假肢支持是甚么感觉。这样他们马上就明白了,当你没有双脚接触地面所带来的感知反馈时,要顺利地走动是多么困难。

Mackiewicz说,他们很快便找到了1些问题。假肢是对称的,而没有左右脚之分。这使其难以平衡,对运动员的表现有影响。

总部位于美国密歇根州Troy的Altair公司的设计副总裁Kevin Shinn说:"Blake在赛道上想法左转,而他装的工作效力高却是两条右腿。"

Altair公司的测试表明了,他在转弯时失去了40%的气力,这是由于他想法弯转假肢但假肢设计的行进线路却是笔挺往前的。

他们的第1个设计概念重新打造了假肢的形状和脚垫,使之更接近正常人的脚部和脚踝。从伊士曼的材料组合中,他们挑选了Tritan共聚酯来制作耐用的钉板,并在脚部部位使用了热塑性弹性体。

伊士曼虽然未提供大部份假肢所用的材料,但其化学工程人员为项目团队指导了正确的努力方向。

例如,为了改良空气动力学,伊士曼推荐使用Vectran,这类液晶聚合物纤维由日本可乐丽株式会社生产,通经常使用于航天利用。Vectran覆盖假肢以减少体积小、重量轻、精度高、使用方便等特点磨擦。Shinn说,Altair公司的虚拟风力测试仿真摹拟表明,相比现有假肢可减少57%的阻力,也就是说在400米比赛中速度可以加快半秒。

Shinn说,剩下的问题是如何来连接假肢了。

在训练中,Leeper有时必须停下来,取下假肢清空插座部份积蓄的汗水和湿气,避免破坏真空状态致使假肢脱落。Leeper说,某1次比赛中,单向气阀在比赛开始前脱落了,以致于他在起跑后不但要想如何比赛,还要担心假肢是不是会飞掉。

Shinn 说:" 这类情况是正常运动员绝不会遇到的。"

为了克服这1问题,设计团队开发出了1个原型套件,策略性地使用TPU将假肢与运动员连在1起,1直延伸到他的肩部,稳稳地固定假肢,可让运动员集中精神比赛,而没必要担心假肢脱落。

他说,F1的1个本钱更加低廉的衍生品,用1条短裤就可以固定,佩戴假肢的截肢者可以取得一样的安全感。

Shinn坦言说,开发团队不清楚此种研究可能会引致哪一种类型的商业化,但他们相信需求已在那里。"通往里约之路"项目为今后的潜伏开发奠定了基础,有望让更多的人从中受益。

他说:"我们看待Blake就像普通人看待概念车1样。[汽车制造商]在概念车中使用的元素其实不会都产生渗透效应,但其中有些会。" "就像如今的运动设备1样。可能有些级别的产品是专门面向优秀运动员的,但总有1款产品是合适普通运动员的。"

开发团队目前做出的原型件只是4个半月研究开发的成果。但该团队今后必须加快进度。2016美国奥运代表团的提拔定在2016年7月举行,而Leeper在此之前需要有充分的时间来适应新的设备。

另外,开发团队还必须不断检查确保为Leeper提供任何所需的设备,以满足奥运会和美国田径队的参赛要求。

Leeper说:"设计的气力让你明白可以帮助1些人恢复正常生活,不但是我,还包括其他不计其数名的截肢者。

"我们没法预感设计的气力将把我们带往何处。"