碳纖維材料特性及其在截肢短跑運(yùn)動(dòng)假肢中的應(yīng)用

陳偉 田一明 王喜太

【摘 要】隨著殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和運(yùn)動(dòng)員成績的不斷提高，在截肢短跑運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目領(lǐng)域，一部分殘疾人運(yùn)動(dòng)員的成績甚至接近正常運(yùn)動(dòng)員的成績。截肢運(yùn)動(dòng)員在參加短跑運(yùn)動(dòng)競(jìng)技運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，碳纖維假肢是其獲得良好運(yùn)動(dòng)成績的必不可少的裝備。文章在對(duì)碳纖維材料所具備特點(diǎn)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(duì)于截肢短跑運(yùn)動(dòng)員成績提高所起的重要作用，最后對(duì)碳纖維材料的假肢在截肢短跑運(yùn)動(dòng)中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；運(yùn)動(dòng)假肢；材料特性；材料應(yīng)用

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

0 引言

隨著社會(huì)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(lì)殘疾人多參加一些社會(huì)活動(dòng)。伴隨著殘疾人的運(yùn)動(dòng)需求的增長，越來越多的殘疾人運(yùn)動(dòng)輔具應(yīng)運(yùn)而生。2008年北京殘奧會(huì)，南非無腿飛人皮斯托瑞斯享受著碳纖維運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(huì)賽場(chǎng)，至今已有近30年的歷史，期間研究人員對(duì)其材料和設(shè)計(jì)不斷加以改進(jìn)，以適應(yīng)不同生理結(jié)構(gòu)和特征的運(yùn)動(dòng)員。目前，在短跑賽場(chǎng)上，殘疾運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員所接受。因此，2012年倫敦奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)之后，碳纖維運(yùn)動(dòng)截肢假肢被應(yīng)用到了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上，使膝下截肢運(yùn)動(dòng)員的比賽成績有了大幅提升，短跑競(jìng)技運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目有了更進(jìn)一步的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)員的成績也一步逼近健全人[1]。

本研究內(nèi)容在對(duì)碳纖維材料所具備特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)假肢對(duì)于截肢短跑運(yùn)動(dòng)員成績提高所起的重要作用，最后對(duì)碳纖維材料的假肢在截肢短跑運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，從航空航天、自動(dòng)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(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等[2]。近年來，碳纖維材料在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)假肢應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)。

1.1 密度低

碳纖維材料具有密度低的特點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)假肢對(duì)材料的密度有較高要求，輕便的運(yùn)動(dòng)假肢不僅能夠給運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員短跑前期的爆發(fā)力，因此相對(duì)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(yùn)動(dòng)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(duì)于其他金屬材料在用作假肢材料上更具有優(yōu)勢(shì)。表1對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)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(chǔ)能腳

儲(chǔ)能腳的內(nèi)部含有彈性儲(chǔ)能元件，它能夠通過步態(tài)周期存儲(chǔ)和釋放能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加輕便的行走動(dòng)作。世界上有將近20種儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(gè)特殊位置的關(guān)節(jié)承載了身體大部分的重量，并且對(duì)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(diǎn)，因此能夠承受劇烈程度不同的長期活動(dòng)。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(chǎng)。相對(duì)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和耐用性方面更具有優(yōu)勢(shì)。

2.3 碳纖維接受腔

由于假肢接受腔對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單又具有容易成型性，并且具有抗摩擦抗疲勞的特點(diǎn)，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(dòng)平滑順暢，減少運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)發(fā)展中的作用

3.1 碳纖維運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)假肢中，設(shè)計(jì)出碳纖維假肢Flex-Foo，這種假肢通過利用碳纖維材料對(duì)小腿和足跟進(jìn)行一定程度的韌性設(shè)計(jì)，使其能夠在跑動(dòng)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(shí)釋放能量。美國殘疾人運(yùn)動(dòng)員Dennis Oehler通過佩戴Flex-Foo，在1988年殘奧會(huì)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(jì)的碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢與1992年的款式相比并無根本性改動(dòng)，并且都具有如下特點(diǎn)：{1}采用重量相對(duì)較輕的碳纖維作為假肢主要材料；{2}為了增加運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性和提高運(yùn)動(dòng)成績，針對(duì)不同的使用者的具體情況進(jìn)行個(gè)體化設(shè)計(jì)，碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢的形狀能根據(jù)運(yùn)動(dòng)員特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；{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(yùn)動(dòng)假肢憑借其重量輕、可靠性佳的特點(diǎn)在截肢短跑運(yùn)動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過眾多研究表明，碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢在400 m后程更占優(yōu)勢(shì)，一些頂尖運(yùn)動(dòng)員在400 m后程的平均速度已經(jīng)非常接近頂尖健全運(yùn)動(dòng)員的平均速度，這表明碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢憑借其結(jié)構(gòu)和材料上的特點(diǎn)，能夠充分發(fā)揮其在前階段存儲(chǔ)能量的特點(diǎn)，并在奔跑后程釋放能量，這樣既能節(jié)省運(yùn)動(dòng)員的體力，同時(shí)也能為運(yùn)動(dòng)員的后期沖刺做好能量儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)更節(jié)省能量[5]。

4 總結(jié)與展望

目前，碳纖維運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)物成果應(yīng)用到專業(yè)賽場(chǎng)上?？v觀國內(nèi)外碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢領(lǐng)域，仍存在技術(shù)難點(diǎn)待解決，首先是如何盡量降低碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢的成本，碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢由于材料昂貴和制作工藝上復(fù)雜，導(dǎo)致其價(jià)格昂貴，很難被更為廣泛的截肢運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技特征進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如不同運(yùn)動(dòng)員可能擅長不同的比賽階段，使運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮自身最大的運(yùn)動(dòng)潛力；最后是應(yīng)用傳感器技術(shù)測(cè)量不同奔跑階段的碳纖維運(yùn)動(dòng)假肢的受力情況，為結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化和耐久性測(cè)試提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張軍獻(xiàn)，虞重干，蘇小霞.競(jìng)爭(zhēng)性或非競(jìng)爭(zhēng)性：殘疾人參與體育運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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

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

[責(zé)任編輯：陳澤琦]