创新型假肢为残奥会带来积极改变

2021年9月

马娅·霍克,奥托博克公司知识产权及研发企业宣传部,德国

2020年东京残奥会于2021年8月24日至9月5日在东京举行。约4,400名残疾运动员在22个项目上争夺金牌。受知识产权保护的运动假肢是他们用来实现目标的关键装备之一。研发工作帮助运动员最大限度地发挥运动能力。

6月25日,约翰内斯·弗洛尔斯(26岁)使用运动假肢提高了自己保持的200米世界纪录——并于2021年8月在东京残奥会获得金牌。(图:Courtesy of Ottobock)

约翰内斯·弗洛尔斯每天在勒沃库森的田径场上奔跑的时间可达6小时。今年8月,他飞往日本,与来自世界各地的运动员进行比赛。“实际上,我从2016年起就开始准备残奥会,”26岁的弗洛尔斯说。这位德国田径运动员在东京残奥会上获得金牌。弗洛尔斯先生是目前世界上使用假肢跑得最快的人。他在6月底提高了自己保持的200米世界纪录,同时也是本级别(T62)100米和400米速度最快的选手。但是,这些成就绝非天赐。弗洛尔斯先生的腓骨有先天遗传缺陷。他两侧腓骨缺失,足部畸形。这样的情况短跑是不可能的。“当时太痛苦了,”他说。出于这个原因,十年前他决定接受双侧小腿截肢手术。“决定注册参加学校体育项目时,我尚在医院卧床,”他回忆。日常假肢让他现在能够正常行走——而短跑时可以使用专门为运动设计的碳纤弹性脚。“体验这种速度给我带来巨大的情感冲击,”他说。

不久以前,残奥会运动员在竞技运动中还使用日常假肢。直到1980年代,他们才开始使用专门设计的短跑假肢。与人腿和如今的运动假肢不同的是,传统假肢不易弯曲,因此难以做出特定运动所需动作。“突然之间,有了运动假肢——改变了一切,”弗洛尔斯先生说。

奥托博克现拥有540多个专利家族的1,886项专利——包括针对残奥会体育运动的无数技术创新。

运动假肢促进残疾人的参与

奥托博克是一家运动假肢和轮椅制造商,其产品使用广泛,30多年来公司一直为残奥会运动员提供装备。这家德国企业以可穿戴人体仿生学产品闻名,制造假肢的历史已有100多年。最初,该公司为第一次世界大战中的伤员生产木制假肢。现在公司的产品有bebionic仿生手等人工智能技术假肢,创立了新的技术标准。

奥托博克现拥有540多个专利家族的1,886项专利——包括针对残奥会体育运动的无数技术创新。

例如灵巧的1E95足部假肢,用于篮球和排球等运动。这种假肢结构简单,步行、慢跑和突然改变方向更加轻松。奥托博克公司专门为短跑运动员和跳远运动员开发了1E91跑步假肢,已获专利。许多残奥会传奇运动员使用这种假肢,可以根据个人不同需求随意调整。而且因为这种碳纤弹性脚的力线更接近身体重心,使用效率更高。

视频:刀锋式碳纤跑步假肢的制作过程

矫形修复专业人员尤利安·纳普是开发团队的一员。自2012年以来他主管残奥会奥托博克技术维修服务中心。运动员有需要时将他们的假肢和轮椅带到修理车间维修。这位技术员将实践经验融入开发流程:“工作必须非常精确,确保足部假肢与身体正确对线,”他说。

26岁的约翰内斯·弗洛尔斯使用的是奥托博克热门产品1E90刀锋式短跑假肢,其中蕴含的概念几乎与他同龄。这种短跑假肢于1990年代在美国开发出品,之后被奥托博克收购,其设计得到进一步改善。

穿上这种碳纤假肢时使用碳纤维真空接受腔,含排气阀和密封套。残肢被一种类似长筒袜的高分子内衬套包围保护。接受腔和足部假肢之间的1E90适配器设计有专利保护,确保可以随意调整假肢的位置。“我可以使用适配器将静态对线调整到完美状态,而这是跑步不受任何限制的真正原因,”纳普先生解释说。

他为各种运动项目和运动员定制假肢,包括著名的短跑和跳远运动员海因里希·波波夫和莱昂·舍费尔:“看到他们创造一项又一项世界纪录,我真的感到很自豪,”纳普先生说。他还与目前世界纪录的保持者约翰内斯·弗洛尔斯紧密合作。“我试着调整技术,让技术越来越适合运动员——和运动员一起成长,”纳普先生说。“我不能把为约翰内斯·弗洛尔斯制作的假体给其他运动员使用,比如莱昂·舍费尔。他可能无法用这样的假体跑得很快。每个人的静态对线不同。”

在奥托博克技术维修服务中心,矫形修复专业人员尤利安·纳普(中)与前世界纪录保持者海因里希·波波夫(右)一起调整残奥会运动员莱昂·舍费尔(左)的日常假肢。(图:Courtesy of Ottobock)

首个机械式运动膝关节专利

尽管发明了足部运动假肢,但经股骨膝上截肢的运动员仍面临困难。有些人直接在残肢上穿戴碳纤假肢,基本为自行拼凑。其结果可以在运动视频中看到,伸展时会进行腿部特有的旋转动作。跑步时不戴运动膝关节的人可以借此避免摆动时间过长。其他运动员跑步时使用的日常假肢和多中心关节实际上不适合这种用途。世界上第一个单中心运动假肢提供了解决这一难题的方案。奥托博克以3R80关节为基础开发出这一产品,1995年,该关节在德国首次获得回转液压专利*

3S80具有手动锁定和可单独调节的阻尼功能,而且极其小巧结实:“慢跑时,作用在假肢上的体重增加一倍。短跑时增加五倍之多,而对于跳远运动员则增加六到七倍。”尤利安·纳普说。人工运动膝关节必须能够承受这种压力,但为了加速还要保持足够的灵活性。换句话说,这种类型的运动关节按运动员的要求定制,而过去是由运动员去适应关节。

前跳远世界纪录保持者、2020年东京残奥会银牌得主马丁娜·卡伊罗尼使用配备运动膝关节和碳纤脚的膝上假肢。(图:Courtesy of Ottobock)

残奥会运动员马丁娜·卡伊罗尼佩戴这种类型的运动膝关节假肢。卡伊罗尼女士是意大利人,在2020年东京残奥会上获得跳远和100米银牌。

2007年,她在摩托车事故中失去左腿。康复期间她意识到自己有运动天赋。三年后,她开始创造记录。“我从未真正想过要成为职业运动员,”卡伊罗尼女士说。“但发生事故后,我发现自己使用假肢能跑得很好。如果我不发挥自己的天赋,那将是一种浪费。”

配备3S80和1E91碳纤弹性脚之前,卡伊罗尼女士起初在运动时使用日常假肢。“我从自己的身体上就能够体验技术变革,”这位31岁的女士说。“我亲身经历了变革。”

国际残奥委会根据运动员的残疾对其成绩的影响程度制定了明确规则。因此仅有无电子装置的被动假肢可以使用。

她说一开始感到很难控制运动假肢,为了加速更快,这种关节更灵活,稳定性较低。卡伊罗尼女士在2012年伦敦残奥会上夺金时使用的就是这个关节,她的100米成绩是14.65秒——她是唯一在15秒内完赛的女运动员。

2013年,卡伊罗尼女士成为跳远和100米的双料世界冠军。2015年,她在200米比赛中创造世界纪录,并在多哈世界残疾人田径锦标赛上获得金牌。

新的假肢也提高了她的生活质量。卡伊罗尼女士将Genium X3作为日常假肢使用;这种智能膝关节能自动适应各种情况。“我的活动能力更强了,”她说。“我可以不假思索地走楼梯或在健身房锻炼,这也对我的运动员职业生涯产生了积极影响。”

视频:激情四射的2020年东京残奥会

佩戴假肢运动不等于技术兴奋剂

值得注意的是,卡伊罗尼女士在残奥会上未获准使用她的日常机电一体化假肢。国际残奥委会根据运动员的残疾对其成绩的影响程度制定了明确规则。因此仅有无电子装置的被动假肢可以使用。获批使用的假肢长度根据代入使用者身高和股骨长度计算的复杂公式确定。然而,媒体对“强化人”的看法仍然难以转变。

约翰内斯·弗洛尔斯说,如果每次被人问及他用假肢跑步是否能超过双腿健康的职业运动员就能得到五欧元,他会发财。关于拥有仿生肢体的超人,这种说法他感到难以接受。“这贬低了我的表现,暗示除了假肢我别无所长,”他说:“这就好像我每天六个小时的训练不值一提!而我的运动假肢与我的日常假肢相比,甚至算不上高科技——它们自90年代以来并无变化。”

2021年产权组织技术趋势报告

2021年3月,产权组织发布的最新版技术趋势报告涉及辅助技术——此类创新帮助那些在行动或视力方面受到功能限制的人全面参与生活并发挥自身潜力。

为提供可靠的事实证据介绍特定领域创新而编写的系列报告通过分析专利和其他数据追踪技术趋势,本报告即为其中之一。

如今需要辅助技术的人超过10亿——随着人口老龄化,这一数字必将在未来十年翻倍,2021年报告得出结论,知识产权推动辅助技术创新的发展。然而,参与报告的专家强调应当更广泛地向有需要的人群提供此类创新。目前全球范围内有需要的人中只有十分之一能够获得所需辅助产品。

该报告旨在提供知识基础,支持全球讨论,从而促进辅助技术的日益普及。

关键发现:

  • 从已有产品稍做改进到前沿技术的最新发展,各类创新可以极大改善功能受限者的生活,让他们能够独立生活、交流和工作。
  • 辅助技术近年实现两位数的增长率,日益融入消费品领域。
  • 中国、美国、德国、日本和韩国是辅助技术创新的五大发源地。
  • 辅助机器人、智能家居应用、视力障碍者的可穿戴设备和智能眼镜等新兴辅助技术的专利申请增长速度是传统辅助技术的三倍,后者包括轮椅的改进和配件、环境警报器和支持盲文的设备。
  • 新兴辅助技术的两个快速增长领域是环境类产品(如公共场所导航辅助设备和辅助机器人)和移动类产品(如自动轮椅和先进假肢)。
  • 辅助技术领域逐渐与消费电子产品和普通医疗技术融合,侵入性较低的辅助产品(得益于日益精密的传感器)和能恢复听力、视力、移动能力的脑干植入手术等侵入性较高的解决方案都在发展。为功能受限者开发的技术越来越多地应用于主流产品。例如,辅助听力障碍者的骨传导技术也可以用于跑步耳机。
  • 先进的辅助新产品问世要归功于人工智能、物联网、新材料和先进机器人等使能技术的发展和应用。
  • 企业力量正引领辅助技术发展,包括WS Audiology公司、科利耳公司、Sonova公司、Second Sight公司、奥托博克公司和Össur公司等专业辅助技术企业。主流电子消费品融合辅助技术的趋势在发展,因而电子消费品企业(如松下、三星、IBM、谷歌和日立)和汽车工业企业(如丰田和本田)也是主要力量。
  • 大学和公共研究机构在新兴辅助技术数据集这方面表现更为突出,在移动能力领域尤为活跃。

假肢方面虽有进展,大多数残奥会选手的速度仍比奥运会运动员慢。虽然残疾人运动员约翰内斯·弗洛尔斯的200米成绩可以达到21.04秒,但目前最快的非残疾人运动员尤塞恩·博尔特200米仅需19.19秒。纵观残疾人田径比赛的历史,只有少数运动员达到了非截肢者的世界级水平;其中包括短跑运动员约翰内斯·弗洛尔斯和跳远运动员马库斯·雷姆。“刀锋战士”奥斯卡·皮斯托瑞斯因各种原因备受争议。

纵观残疾人田径比赛的历史,只有少数运动员达到了非截肢者的世界级水平。

对一流截肢运动员进行生物力学分析的专家托马斯·施马尔茨博士说:“佩戴假肢的运动员依旧在需要加速的各个阶段都处于劣势。”残疾人运动员曾经历创伤性事故、癌症、截肢以及其他艰难生活事件。“他们仍然是身有残疾的运动员。单侧截肢者必须补偿肌肉骨骼系统的不对称问题。神经和肌肉系统缺乏本体感觉反馈效应。由肌肉组织和肌腱的感应触发的关键反射机制缺失,”施马尔茨博士解释说。

足部假肢在使用者开始走的几步中没有任何内能,而且使用者感到假肢并不属于自己的身体。假肢领域的科研工作正在努力解决这一障碍。奥托博克公司首席技术官Andreas Goppelt博士说:“理想情况下,用户应当感到假肢属于自己身体的一部分——是身体的自然延伸。”他的研发团队正在开展研究项目,通过有反馈能力的假肢等方法努力实现这一目标。

约翰内斯·弗洛尔斯说,感到假肢成为自己的一部分,这将是未来迈向正常生活的一大步。“我对假肢有一定的认同感,但我希望自己和假肢的联系更加紧密,”他说。“但你不能为它感到沮丧;你必须追求自己的目标。然后,假肢就不再构成任何障碍!”2020年东京奥运会上他获得金牌,所有的努力都得到了回报。

脚注

*这项专利2014年到期。

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