浙大譚建榮院士團隊頂刊丨基于關節(jié)生物力學的增材制造人體工學產品定制設計

來源： 增材制造碩博聯盟

根據WTO統(tǒng)計，全球各類失能人口已超過10億，失能率不斷上升，導致對康復和個性化服務需求的不斷增長。人體工學產品的定制設計充分利用生物力學等知識，結合計算機輔助設計和增材制造技術，以科學方式契合個體用戶的需求。

符合人體工程學的產品定制設計流程

論文亮點
（1）提出了一種考慮關節(jié)生物力學的增材制造人體工程學產品定制設計方法。

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

（3）在物理制造前用數字孿生技術對概念設計原型進行評估。

鞋墊原創(chuàng)概念設計

步行過程中鞋墊不同時間等效應力的分布

研究方法
根據基于鄰域拓撲的圖像重建方法和解剖學知識對人體足部結構進行三維重建，并通過測量足底壓力進行靜動態(tài)生物力學分析。采用梯度多孔結構作為基元，通過自適應生成結構參數以滿足功能、舒適性等指標，有效均衡不同足部區(qū)域的壓差。在可視化數字孿生技術的驅動下，借助增材制造將概念原型變?yōu)槲锢韺嵨铩?br />
通過視覺數字雙胞胎實現一體化鞋的虛擬3D打印

3D制作的矯形鞋墊采用符合人體工程學的運動康復設計

結果
鞋墊表面與足底完全貼合，內部定制結構可以提供最佳的減震和力分布。均質鞋墊和定制鞋墊的最大峰值等效應力分別為2.2123MPa和1.8373MPa，后者可降低16.95%。在可視數字孿生技術的驅動下利用立體光刻技術制造，構建層厚可精細至小于0.1mm，提升分層制造人體工學實物的貼膚性。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

鞋墊側面的光學顯微照片

結論
提出了一種考慮關節(jié)生物力學的增材制造人體工程學產品定制設計方法，通過評估個體運動學、生物力學特性和需求，根據功能、舒適性等指標反饋，優(yōu)化產品在復雜約束條件下的性能參數，實現輕量化的可變多孔度的流形結構�？梢晹底謱\生技術可增強概念設計的靈感激發(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。

前景與應用
人體工學定制產品可以滿足個體的身體形態(tài)和需求，提高舒適度和人文關懷。研究成果可用于改善康復過程，特別是針對運動障礙、關節(jié)失能或創(chuàng)傷后康復，提供快速響應需求的解決方案。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

譚建榮，中國工程院院士，浙江大學求是特聘教授、博士生導師�，F任浙江大學設計工程及自動化系主任、浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室學術委員會副主任、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室學術委員會委員，兼任中國圖學學會名譽理事長、教育部工程圖學教學指導委員會主任。先后獲首屆“國家杰出青年科學基金”、“中青年圖形科技跨世紀人才”、國務院政府特殊津貼、“浙江省重點學科帶頭人”、“浙江省‘151’人才工程第一層次”、“浙江省新世紀重點培養(yǎng)人才”、國家863計劃自動化領域CIMS主題設計自動化專題專家、國家“百千萬人才第一二層次”、“科技部十五863先進個人”、“科技部十一五國家科技計劃執(zhí)行突出貢獻獎”等榮譽和稱號。提出了多品種大批量定制設計技術、多性能數字化樣機設計技術和多參數分析與匹配設計技術，研究成果獲國家技術發(fā)明二等獎和國家科技進步二等獎5項，省部級科技進步一等獎7項，教學成果獲國家級優(yōu)秀教學成果獎3項，其中一等獎1項，二等獎2項。將提出的技術固化在軟件中，開發(fā)并獲得計算機軟件著作登記權12項。