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国际金属加工网 2019年06月05日

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▲山地自行车下坡测试车手Dominik Doppelhofer穿戴旋转脊柱保护系统腾空一跃

图片由Edera Safety公司提供

在美剧《胜利之光》(Friday Night Lights)第一集里,一名高中生四分卫在橄榄球场上因脊髓损伤(SCI)而瘫痪。他身边的人都难以承受这个毁灭性的打击,剧中哲人般世事洞明的泰勒教练吟诵道:“生命是如此脆弱,我们都容易受伤,我们每个人都会在生命的某个时刻跌倒——任何人都不能幸免。”

《脊髓医学期刊》2016年刊登的一篇文章称 ,研究人员已经确定了运动相关SCI发病率最高的国家(俄罗斯、斐济、新西兰、冰岛、法国和加拿大)以及风险最高的运动(跳水、滑雪、橄榄球和骑马)。尽管全球各地施行了法律,强制要求自行车和摩托车骑行者佩戴头盔,但关于脊柱护具却几乎没有任何规定和标准,也鲜少看到有关在运动中使用此类护具的建议。

大部分脊柱护具都是为摩托车骑行者而设计,而且往往是从限制活动或吸收冲击的保护带或护甲改造而来。但是,一种来自奥地利格拉茨(Graz)的新型保护装置——“旋转脊柱保护(RSP)系统”却如同人体的“第二层肌肤”,它的安全带和卡扣完全贴合身体线条,并将人体活动“锁定”在特定范围内,让佩戴者始终在安全动作区域内活动。如果脊柱旋转达到临界范围,收紧的安全带会捕获并吸收过多的旋转能量。

Edera Safety公司联合创始人兼首席执行官Thomas Saier表示,负责打造RSP系统的设计工作室做了一项关于脊柱损伤的医学调查,查明了脊柱损伤发生的机制、部位及其类型。该团队以“Adamsfour”作为内部品牌名称,着手研究旋转损伤——其发生概率比脊柱直接碰撞伤高出五倍。

“这是一种生物力学损伤,”Saier说,“动作幅度超出了自然承受范围。当位于脊柱中央的脊髓发生撕裂或崩裂,就会导致受伤”。

运用电子技术研究人体

Adamsfour研究的第一步是辨别当身体以极端或突然的方式运动时,潜在的破坏力会作用在脊柱的哪个部位。为此,该团队自行开发了配有传感器、脊柱能充分旋转的碰撞测试假人,并从各个方向施加旋转力,然后收集测试数据。

该团队着重研究了连接胸腰椎和腰颈椎部位的椎骨,因为大多数旋转及其导致的损伤都发生在这个部位。团队还参考了格拉茨大学解剖学研究所尸体上的人类脊柱,应用旋转和三维扫描来收集有关脊柱生物力学范围的更多数据。

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▲Adamsfour旋转脊柱护具设计方案的其中一种迭代 

图片由Edera Safety公司提供

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▲二代设计 图片由Edera Safety公司提供

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▲三代设计 图片由Edera Safety公司提供

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▲四代设计 图片由Edera Safety公司提供

该团队的一大重要发现就是脊柱在两类运动状态下的自然极限。一类运动是由身体肌肉组织控制的,另一种运动是由骨骼(包括椎骨)之间的连接处开始承担负荷。人体使用肌肉主动力只能达到约60%的活动范围,其余部分要通过脊柱旋转等骨骼运动来被动完成。

所以关键不在于限制肌肉直接做出的主动动作,而是要在被动的骨骼运动过量时及时“制动”。当脊柱进入这种临界范围,RSP系统会吸收运动所产生的作用力。

新一代设计方法

第二步是将所有有关脊柱运动的数据应用于实践,设计出一套能够限制仿真作用力和能量,但又不会像盔甲一样有束缚感的系统。

Saier了解到,欧特克在2016年曾参与设计高性能赛车Hack Rod,该赛车的底盘是采用衍生式设计技术开发而成,于是他考虑将这一设计理念应用于RSP。“如果只是在测试台上试验,就只能模拟一种动作类型,”他说,“但体育运动是非常复杂的事情,涉及到各种各样的动作,除非让你的系统在实际运动中真正承受各种冲击,否则你永远也不知道它究竟会承受多大的作用力、旋转力或破坏力。”

借助欧特克 Fusion 360,Adamsfour将实时数据应用于仿真过程,进而开发出一个原型。该团队将原型投入运行,集成了更多的传感器以及一款应用程序来准确测量和记录所有相关的作用力,然后将它们输入到衍生式设计算法中。

对于Adamsfour的职业运动员和设计师René Stiegler来说,下一步是利用来自衍生式设计流程的几何图形找出最佳解决方案。“我们得出的最终结果略为极端,不宜作为产品出售”他说。“为了让它具备实用性,必须把它简化成人们真正愿意穿戴在身上的东西。”

RSP系统是一种B2B技术,Adamsfour将以配件形式把它出售给其他制造商,供其用于自己的产品。尽管Adamsfour仍处在试生产阶段,但它已经在与三大运动装品牌敲定合同。

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▲Edera Safety首席执行官Thomas Saier正在研究RPS系统设计方案 

图片由Edera Safety公司提供

Saier表示:“根据具体的限制条件,你可以从中获得很多结构设计方案。衍生式设计产生了关键图像,我们现在使用的最终产品就是基于那个几何图形。你需要将它与自己的直观知识以及设计团队的开发技能相结合,从而将其转化为商品。”

采用这一流程的一大优点就是减少了所需的材料量,这是依据系统对力线和能量作用于人体的位置所做的计算。“如果没有采用这套流程,我们可能会用更多的材料,产品也可能比现在更重,”Stiegler说,“基本上,它会告诉我们系统必须承载多大的负荷,以及材料需要多厚。至于如何把这项技术应用到最终产品中,那就要由你自己决定。它实际上是在围绕一副骨架来打造整个系统。”

下一阶段是为更多的测试车手配备更多的传感器,这将产生更精细的细节,然后通过重新衍生当前的设计来进一步完善拓扑结构。

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▲Daniel Krobath准备在奥地利施拉德明测试RSP系统 

图片由Edera Safety公司提供


实际应用

经过这些仿真试验、数据处理和精细打磨之后,用户体验是否也随之积累起来了吗?这套装备容易穿戴吗?穿上舒适有效吗?

合适的材料至关重要,它必须可切割、可塑形,但又不丧失固有强度,并且需要与皮肤或衣物表面保持适当的摩擦。如果这套装备穿在透明面料或汗湿的身体上时会来回滑动,就无法充分限制身体动作。最终我们采用了一种被称为“氯磺化聚乙烯合成橡胶”的物质,它与橡皮艇的材料有点类似。

“它穿起来很舒服,”Adamsfour山地自行车下坡测试车手Dominik Doppelhofer表示,“和其他背部护具相比,它穿起来感觉略有不同。你需要恰当地调整,因为它必须像皮肤一样紧紧贴合身体,但它的效果的确不错。”

所以,以后再参加体育运动时,如果你发现自己的脊柱得到了更好的保护,避免了过度扭转,那你可能就要感谢解剖学研究、衍生式设计以及奥地利的一家小公司了。

原文作者:Drew Turney

从小就有改变世界的梦想,但随后他意识到记录那些改变世界的人更加容易,他从事科技、电影、科学、书籍相关的写作。



(Drew Turney 欧特克Autodesk)

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