浙大譚建榮院士團(tuán)隊(duì)頂刊丨基于關(guān)節(jié)生物力學(xué)的增材制造人體工學(xué)產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

根據(jù)WTO統(tǒng)計(jì)，全球各類失能人口已超過10億，失能率不斷上升，導(dǎo)致對康復(fù)和個(gè)性化服務(wù)需求的不斷增長。人體工學(xué)產(chǎn)品的定制設(shè)計(jì)充分利用生物力學(xué)等知識，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和增材制造技術(shù)，以科學(xué)方式契合個(gè)體用戶的需求。

符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)流程

論文亮點(diǎn)
（1）提出了一種考慮關(guān)節(jié)生物力學(xué)的增材制造人體工程學(xué)產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)方法。

（2）定制產(chǎn)品具有輕量化的可變多孔結(jié)構(gòu)。定制鞋墊可完全貼合足底，從而降低峰值足底壓力。

（3）在物理制造前用數(shù)字孿生技術(shù)對概念設(shè)計(jì)原型進(jìn)行評估。

鞋墊原創(chuàng)概念設(shè)計(jì)

步行過程中鞋墊不同時(shí)間等效應(yīng)力的分布

研究方法
根據(jù)基于鄰域拓?fù)涞膱D像重建方法和解剖學(xué)知識對人體足部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并通過測量足底壓力進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)生物力學(xué)分析。采用梯度多孔結(jié)構(gòu)作為基元，通過自適應(yīng)生成結(jié)構(gòu)參數(shù)以滿足功能、舒適性等指標(biāo)，有效均衡不同足部區(qū)域的壓差。在可視化數(shù)字孿生技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，借助增材制造將概念原型變?yōu)槲锢韺?shí)物。

通過視覺數(shù)字雙胞胎實(shí)現(xiàn)一體化鞋的虛擬3D打印

3D制作的矯形鞋墊采用符合人體工程學(xué)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)設(shè)計(jì)

結(jié)果
鞋墊表面與足底完全貼合，內(nèi)部定制結(jié)構(gòu)可以提供最佳的減震和力分布。均質(zhì)鞋墊和定制鞋墊的最大峰值等效應(yīng)力分別為2.2123MPa和1.8373MPa，后者可降低16.95%。在可視數(shù)字孿生技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下利用立體光刻技術(shù)制造，構(gòu)建層厚可精細(xì)至小于0.1mm，提升分層制造人體工學(xué)實(shí)物的貼膚性。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

鞋墊側(cè)面的光學(xué)顯微照片

結(jié)論
提出了一種考慮關(guān)節(jié)生物力學(xué)的增材制造人體工程學(xué)產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)方法，通過評估個(gè)體運(yùn)動(dòng)學(xué)、生物力學(xué)特性和需求，根據(jù)功能、舒適性等指標(biāo)反饋，優(yōu)化產(chǎn)品在復(fù)雜約束條件下的性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輕量化的可變多孔度的流形結(jié)構(gòu)�？梢晹�(shù)字孿生技術(shù)可增強(qiáng)概念設(shè)計(jì)的靈感激發(fā)與原型評估能力，為大規(guī)模元宇宙級分層制造模擬奠定基礎(chǔ)。

前景與應(yīng)用
人體工學(xué)定制產(chǎn)品可以滿足個(gè)體的身體形態(tài)和需求，提高舒適度和人文關(guān)懷。研究成果可用于改善康復(fù)過程，特別是針對運(yùn)動(dòng)障礙、關(guān)節(jié)失能或創(chuàng)傷后康復(fù)，提供快速響應(yīng)需求的解決方案。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

譚建榮，中國工程院院士，浙江大學(xué)求是特聘教授、博士生導(dǎo)師�，F(xiàn)任浙江大學(xué)設(shè)計(jì)工程及自動(dòng)化系主任、浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任、浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，兼任中國圖學(xué)學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長、教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任。先后獲首屆“國家杰出青年科學(xué)基金”、“中青年圖形科技跨世紀(jì)人才”、國務(wù)院政府特殊津貼、“浙江省重點(diǎn)學(xué)科帶頭人”、“浙江省‘151’人才工程第一層次”、“浙江省新世紀(jì)重點(diǎn)培養(yǎng)人才”、國家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域CIMS主題設(shè)計(jì)自動(dòng)化專題專家、國家“百千萬人才第一二層次”、“科技部十五863先進(jìn)個(gè)人”、“科技部十一五國家科技計(jì)劃執(zhí)行突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)和稱號。提出了多品種大批量定制設(shè)計(jì)技術(shù)、多性能數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和多參數(shù)分析與匹配設(shè)計(jì)技術(shù)，研究成果獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)7項(xiàng)，教學(xué)成果獲國家級優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)3項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。將提出的技術(shù)固化在軟件中，開發(fā)并獲得計(jì)算機(jī)軟件著作登記權(quán)12項(xiàng)。