碳纖維材料特性及其在截肢短跑運動假肢中的應(yīng)用

陳偉 田一明 王喜太

【摘 要】隨著殘疾人競技運動的發(fā)展和運動員成績的不斷提高，在截肢短跑運動項目領(lǐng)域，一部分殘疾人運動員的成績甚至接近正常運動員的成績。截肢運動員在參加短跑運動競技運動項目時，碳纖維假肢是其獲得良好運動成績的必不可少的裝備。文章在對碳纖維材料所具備特點進(jìn)行詳細(xì)闡述的基礎(chǔ)上，結(jié)合假肢的基本結(jié)構(gòu)首先探討碳纖維材料在假肢中的應(yīng)用，然后分析碳纖維假肢技術(shù)對于截肢短跑運動員成績提高所起的重要作用，最后對碳纖維材料的假肢在截肢短跑運動中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；運動假肢；材料特性；材料應(yīng)用

【中圖分類號】TB332 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）10-0078-03

0 引言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，殘疾人的生活起居受到越來越多的關(guān)注，政府也在加大力度鼓勵殘疾人多參加一些社會活動。伴隨著殘疾人的運動需求的增長，越來越多的殘疾人運動輔具應(yīng)運而生。2008年北京殘奧會，南非無腿飛人皮斯托瑞斯享受著碳纖維運動假肢帶給他的殊榮。皮斯托瑞斯佩戴碳纖維假肢所獲得的百米成績僅比奧運飛人博爾特慢了1 s，這一成績的獲得除了與其勤奮努力的訓(xùn)練有一定關(guān)系外，還應(yīng)該歸功于他所佩戴的重量僅為3.63 kg重的“刀鋒”。自從2004年以來，皮斯托瑞斯佩戴它連續(xù)26次打破殘疾人世界紀(jì)錄，碳纖維假肢也因此越來越受到世界關(guān)注。

碳纖維假肢于1988年首次應(yīng)用于殘奧會賽場，至今已有近30年的歷史，期間研究人員對其材料和設(shè)計不斷加以改進(jìn)，以適應(yīng)不同生理結(jié)構(gòu)和特征的運動員。目前，在短跑賽場上，殘疾運動員所佩戴的假肢均是由碳纖維材料制成，碳纖維假肢也逐步被高水平殘疾人運動員所接受。因此，2012年倫敦奧運會和殘奧會之后，碳纖維運動截肢假肢被應(yīng)用到了運動場上，使膝下截肢運動員的比賽成績有了大幅提升，短跑競技運動項目有了更進(jìn)一步的發(fā)展，運動員的成績也一步逼近健全人[1]。

本研究內(nèi)容在對碳纖維材料所具備特點進(jìn)行詳細(xì)闡述的基礎(chǔ)上，結(jié)合碳纖維假肢在截肢短跑運動中的發(fā)展歷史分析了碳纖維假肢的性能，并探討碳纖維運動假肢對于截肢短跑運動員成績提高所起的重要作用，最后對碳纖維材料的假肢在截肢短跑運動中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。本文所指的假肢均是小腿假肢，即膝下截肢的運動員所佩戴使用的假肢。

1 碳纖維材料的特性

碳纖維是一種含碳量在95%以上的新型纖維材料，不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代特別增強(qiáng)纖維。作為一種高性能纖維，該材料已在軍事及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，從航空航天、自動化、機(jī)械、電子電力、工業(yè)生產(chǎn)、輕工紡織品等民用到工業(yè)生產(chǎn)再到運動器材和休閑用品等[2]。近年來，碳纖維材料在運動假肢領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本節(jié)將從碳纖維材料所具有的特性方面闡述碳纖維材料在運動假肢應(yīng)用方面的優(yōu)勢。

1.1 密度低

碳纖維材料具有密度低的特點，在能承受高溫的結(jié)構(gòu)中，它是最輕的材料。由于假肢尤其是運動假肢對材料的密度有較高要求，輕便的運動假肢不僅能夠給運動員帶來使用上的舒適性，還有助于其成績水平的提高。此外，碳纖維材料的斷裂韌性較高，能夠適應(yīng)運動員短跑前期的爆發(fā)力，因此相對于其他材料而言，碳纖維材料在重量上和抗斷裂性上特別適用于短跑運動假肢的開發(fā)。

1.2 比強(qiáng)度高、比模量高

碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高的特性。比強(qiáng)度高的材料能夠承受很強(qiáng)的應(yīng)力，比模量高意味著材料輕且剛性大，因此碳纖維材料相對于其他金屬材料在用作假肢材料上更具有優(yōu)勢。表1對幾種常見材料的性能進(jìn)行了比較。

1.3 具有各向異性

碳纖維除了具有一般碳素材料耐腐蝕、耐摩擦的特性以外，又兼?zhèn)淅w維的柔軟，可加工成各種織物，是科技進(jìn)步下的產(chǎn)物。碳纖維憑借其良好的強(qiáng)度，可用作假肢接受腔內(nèi)部的加強(qiáng)材料。將碳纖維制成預(yù)浸料，利用鐵芯卷制方法和模壓成型工藝制作假肢的支撐構(gòu)件和支撐桿，實現(xiàn)假肢的高強(qiáng)度和輕量化，代表了當(dāng)代假肢在輕量化技術(shù)上的先進(jìn)水平[3]。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中，碳纖維的強(qiáng)度、碳纖維沿纖維軸方向堆砌的硬度都非常優(yōu)秀。

1.4 優(yōu)良的抗疲勞性能

疲勞強(qiáng)度是指材料在無數(shù)次的反復(fù)無窮次循環(huán)下不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力，叫做疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。碳纖維材料本身所固有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制成的復(fù)合材料經(jīng)過應(yīng)力疲勞數(shù)百萬次的實驗后，其強(qiáng)度保留率仍有60%，而鋼材為40%，鋁材為30%，而玻璃鋼則只有20%～25%，因此設(shè)計的假肢安全系數(shù)較高。

2 碳纖維材料在假肢中的應(yīng)用

由于疾病、地質(zhì)災(zāi)害、工程作業(yè)等成為截肢者的人數(shù)不斷增加，因此安裝假肢的需求也逐漸增多。小腿假肢對恢復(fù)和代替人體功能起著至關(guān)重要的作用。下面逐一介紹碳纖維材料在這些機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用。

2.1 儲能腳

儲能腳的內(nèi)部含有彈性儲能元件，它能夠通過步態(tài)周期存儲和釋放能量，進(jìn)而實現(xiàn)更加輕便的行走動作。世界上有將近20種儲能腳，基本都是用碳纖維復(fù)合材料制作而成的。典型的碳纖維儲能腳產(chǎn)品有美國的飛毛腿假肢系列，其假腳均是由碳纖維復(fù)合材料制作。此外，德國奧托搏克公司的Dynamic Pro和德國奧托搏克公司的Hanger Quantum、美國College Park Industries Inc.公司的多軸動態(tài)響應(yīng)腳TruSetpTM也是采用碳纖維材料[4]。

2.2 碳纖維踝關(guān)節(jié)

踝關(guān)節(jié)處于連接小腿和腳的關(guān)鍵部位，這個特殊位置的關(guān)節(jié)承載了身體大部分的重量，并且對身體穩(wěn)定性有重要影響。碳纖維材料具有強(qiáng)度高耐疲勞的特點，因此能夠承受劇烈程度不同的長期活動。德國奧托博克公司的碳纖維人工踝關(guān)節(jié)及碳纖膝踝穩(wěn)定矯形器已經(jīng)作為產(chǎn)品推向市場。相對于傳統(tǒng)材料制成的踝關(guān)節(jié)，碳纖維踝關(guān)節(jié)在減少運動補(bǔ)償和耐用性方面更具有優(yōu)勢。

2.3 碳纖維接受腔

由于假肢接受腔對材料的要求較為苛刻，需要能夠加工成壁薄且要求容易安裝。由于碳纖維材料加工相對簡單又具有容易成型性，并且具有抗摩擦抗疲勞的特點，因此能夠明顯延長接受腔的使用壽命。

2.4 碳纖維支撐構(gòu)件

支撐構(gòu)建的材料需要具備一定的強(qiáng)度，并且輕質(zhì)材料的應(yīng)用能夠能夠減輕假肢重量，使關(guān)節(jié)輕、穩(wěn)定、擺動平滑順暢，減少運動員的體能消耗。幾種智能關(guān)節(jié)采用的碳纖維的框架結(jié)構(gòu)是由英國布萊奇福特假肢制造公司研制的，其具有高水準(zhǔn)的穩(wěn)定性和安全性，此外得益于碳纖維材料輕盈的重量，能夠保證能效。

3 碳纖維假肢在截肢短跑運動發(fā)展中的作用

3.1 碳纖維運動假肢的演化

1984年，美國工程師Van Phillip首次將碳纖維材料應(yīng)用到運動假肢中，設(shè)計出碳纖維假肢Flex-Foo，這種假肢通過利用碳纖維材料對小腿和足跟進(jìn)行一定程度的韌性設(shè)計，使其能夠在跑動過程中產(chǎn)生輕微的彎曲形變吸收能量，當(dāng)形狀恢復(fù)時釋放能量。美國殘疾人運動員Dennis Oehler通過佩戴Flex-Foo，在1988年殘奧會上的單側(cè)膝下截肢組100 m跑比賽中，以11.73 s的成績獲得冠軍。隨著1992年假肢的彈性足跟被去除，第一款短跑專用假肢從此誕生。此后設(shè)計的碳纖維運動假肢與1992年的款式相比并無根本性改動，并且都具有如下特點：{1}采用重量相對較輕的碳纖維作為假肢主要材料；{2}為了增加運動時的穩(wěn)定性和提高運動成績，針對不同的使用者的具體情況進(jìn)行個體化設(shè)計，碳纖維運動假肢的形狀能根據(jù)運動員特點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；{3}使用者反饋使用的功能性和舒適性，可不斷地修正完善至適合使用者。

3.2 碳纖維接受腔

碳纖維運動假肢憑借其重量輕、可靠性佳的特點在截肢短跑運動中得到了廣泛的應(yīng)用。通過眾多研究表明，碳纖維運動假肢在400 m后程更占優(yōu)勢，一些頂尖運動員在400 m后程的平均速度已經(jīng)非常接近頂尖健全運動員的平均速度，這表明碳纖維運動假肢憑借其結(jié)構(gòu)和材料上的特點，能夠充分發(fā)揮其在前階段存儲能量的特點，并在奔跑后程釋放能量，這樣既能節(jié)省運動員的體力，同時也能為運動員的后期沖刺做好能量儲備。采用高彈性、高強(qiáng)度的碳纖維材料制作的假肢，其釋放能量與儲存能量之比高達(dá)95%以上，碳纖維假肢極高的能量效率和較輕的質(zhì)量，使截肢者在使用時更節(jié)省能量[5]。

4 總結(jié)與展望

目前，碳纖維運動假肢的研究在我國還處于起步階段，但是國外已經(jīng)在此領(lǐng)域獲得了相當(dāng)巨大的成果，一些國外的假肢公司在碳纖維運動假肢領(lǐng)域已經(jīng)有了近30年的技術(shù)積淀，并且已經(jīng)有了相應(yīng)的實物成果應(yīng)用到專業(yè)賽場上?？v觀國內(nèi)外碳纖維運動假肢領(lǐng)域，仍存在技術(shù)難點待解決，首先是如何盡量降低碳纖維運動假肢的成本，碳纖維運動假肢由于材料昂貴和制作工藝上復(fù)雜，導(dǎo)致其價格昂貴，很難被更為廣泛的截肢運動員所使用；其次是如何在碳纖維材料及假肢結(jié)構(gòu)上根據(jù)不同運動員的競技特征進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如不同運動員可能擅長不同的比賽階段，使運動員發(fā)揮自身最大的運動潛力；最后是應(yīng)用傳感器技術(shù)測量不同奔跑階段的碳纖維運動假肢的受力情況，為結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化和耐久性測試提供實驗基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張軍獻(xiàn)，虞重干，蘇小霞.競爭性或非競爭性：殘疾人參與體育運動的思考[J].體育科學(xué)，2008，28（4）：57-

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[2]李進(jìn)衛(wèi).碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能特點及其應(yīng)用領(lǐng)域[J].化學(xué)工業(yè)，2015，33（8）：13-18.

[3]顧良娥，周恒香.碳纖維在假肢技術(shù)中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2016（1）：239.

[4]NOLAN L.Carbon fibre prostheses and running in

amputees：A review[J].Foot Ankle Surgery，2008，

14（3）：125-129.

[5]馮毅，文安，劉宇.科技進(jìn)步在殘疾人競技運動中的作用——以膝下截肢短跑運動為例[J].體育科學(xué)，2014，34（11）：67-73.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]