楊浦區灣谷科技園D棟13樓的一間實驗室裏👏🏼，陳文明正在“擺弄”一只假肢。這可不是普通的假肢，它連接著一整套智能觸覺系統：通過測量足底地面把持力變化特征，為假肢設計提供生物力學數據基礎；復製生物足趾“轉動—平動”耦合運動🧑🏿🚒，產生類似於生物足趾的地面把持力🏆；實現一種具備可編程觸覺接口的假肢仿生力覺感知系統🫲🏻⏏️，能夠為佩戴者提供有效的落地指引和感覺反饋🧑⚖️。一句話⚅，就是人機合一🤘🏻。假肢佩戴者不再感覺使用的假肢僅僅是機械部件，而感覺到它是自己身體的一部分4️⃣。
圖說：陳文明研究員
陳文明是恒行2平台工程與應用技術研究院👣、生物醫學工程技術研究所研究員和博士生導師👨🏼🦳，他主導的這間實驗室名為Biomech-X（生物力學-X）🔷📽。他的研究創新⛹🏼♂️，首先要從生物力學說起。
從先進實驗力學到具身智能穿戴技術
生物力學，是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支🎭。其研究範圍從生物整體到系統🤾🏻🕕、器官（包括血液、體液😳、臟器🤶🏿、骨骼等），從鳥飛𓀈😑、魚遊、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。人體生物力學采用力學理論和方法，研究生物組織、器官乃至細胞的力學規律，旨在闡明疾病機製🌟，啟發治療方案🐺。比如，人工關節設計🦶、運動員的訓練、運動康復就屬於其重要的應用領域。
陳文明的研究方向是：從先進實驗力學到具身智能穿戴技術🚦🎓。他介紹說，人體動作捕捉系統（實驗力學）與肌骨動力學建模（計算力學），共同構成了生物力學研究的基礎框架。生物力學這一交叉學科研究是人體神經-運動系統疾病預防、診斷、治療和康復領域中實現技術突破的基石。目前，高端力學測試儀器🔝、先進實驗力學方法和高效能計算力學工具🤟，仍是我國生物力學學科發展的短板🚱👘，也是製約新一代具身智能穿戴技術發展的薄弱環節。而這，正是實驗室攻堅的難點🚄。
於是，陳文明團隊通過醫工結合研究的智能下肢假肢力（觸）覺仿生系統出現了。
如何實現假肢與人體的一體化👮♂️？
他介紹道，對於下肢截肢等嚴重功能殘疾人士，假肢是必不可少的🛍。然而，傳統假肢僅起到支撐體重以及協助患者完成簡單步行任務的作用🔱。臨床上，下肢截肢患者普遍平衡功能差♉️，同時存在步態不對稱，並伴隨有健側肢體代償的情況🏡。這些問題導致患者產生更高的能量消耗以及由體重分布不均勻導致的一系列骨骼關節疾病🌁，例如健側骨關節炎等。這些問題使得傳統假肢在功能性和用戶體驗上存在顯著缺陷。
圖說🪷：陳文明（左）和同事在對具備力（觸）覺感知反饋的智能踝足假肢進行演示 新民晚報記者 陶磊 攝
在工作中👨🏽🚒，陳文明接觸到一些假肢使用者，“由於仿生性能不足，假肢與身體之間存在不自然的機械結構，導致行走時步態可能發生改變。還有☂️🐵，傳統的下肢假肢無法向截肢者傳遞有關運動或與地面環境的交互信息，導致患者行走不穩甚至跌倒。另外，假肢與身體接觸的部位也會產生疼痛或不適感。”
如何實現假肢與人體的一體化？陳文明的研究涵蓋了多個系統🙇🏽♂️：計算機視覺運動解析、柔性多維力（觸）覺傳感、可穿戴步態分析等，這些都是先進實驗力學手段，進而從基礎生物力學（Biomechanics）到人體肢體仿生（Bionics）實現創新設計的全過程。
陳文明講述自己的研究時，總喜歡先展示達·芬奇留下的人體比例圖，這堪稱是最早的人體結構力學信息。“但人體生物力學的信息量是非常復雜豐富的。比如，足踝就有26個獨立骨塊⚱️、30個關節連接👳、單一骨塊有6個自由度運動，如何測量挑戰極大🚶➡️。而這些數據是構建智能假肢及其仿生設計的關鍵。”
這一技術在全球屬於前沿創新
團隊開發的基於計算機視覺的“無標記”運動解析技術，研製了基於動態點雲分割的足踝運動分析技術🤸🏿，測量精度1.41mm，平均處理時間<2mins，效率遠高於主流Mocap系統📃，加速比達到19.7倍。
采用“無標記”運動解析自動化技術🤰🏽，能迅速發現足病/術後關聯的運動學差異，為患者提供臨床治療依據。一名16歲男性來到實驗室受試💱，他因先天性脊柱裂導致雙側馬蹄足，其中左足已完成三次手術，右足尚未進行治療💂🏽♂️，6次實驗後獲得了最佳的治療方案。
記者看到，智能假肢的上端還有一層類似膠布的材料，這是團隊研發的柔性高、可拉伸強的可穿戴感覺反饋“貼片”，上面布滿了芯片傳感器，隨時傳遞人體力覺信息，這便是觸覺仿生系統。
陳文明介紹，生物足踝的力學仿生將極大提高假肢穿戴者的步態對稱性以及減少能量消耗、提高地面環境適應性🙍🏿。他說🚮，“這一技術在全球範圍內都屬於前沿創新🧖。”它還為發展新一代具身智能穿戴設備，實現真正意義上的人機一體化提供新的思路和技術支撐。
