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(chǎn)品定制設計

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

根據(jù)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(chǎn)品的定制設計充分利用生物力學等知識,，結(jié)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(chǎn)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(chǎn)品定制設計方法,。

（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(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為基元，通過自適應生成結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)字孿生技術的驅(qū)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(shù)字雙胞胎實現(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的運動康復設計

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)字孿生技術的驅(qū)動下利用立體光刻技術制造，構(gòu)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(lián)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(cè)面的光學顯微照片

結(jié)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(chǎn)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(jù)功能,、舒適性等指標反饋，優(yōu)化產(chǎn)品在復雜約束條件下的性能參數(shù),，實現(xiàn)輕量化的可變多孔度的流形結(jié)構(gòu),。可視數(shù)字孿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(chǎn)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(lián)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(xiàn)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(shù)字化樣機設計技術和多參數(shù)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。