浙江大学谭建荣院士团队：考虑关节生物力学的增材制造人体工学产品定制设计

根据WTO统计，全球各类失能人口已超过10亿，失能率不断上升，导致对康复和个性化服务需求的不断增长。人体工学产品的定制设计充分利用生物力学等知识，结合计算机辅助设计和增材制造技术，以科学方式契合个体用户的需求。

浙江大学谭建荣院士团队在在《中国机械工程学报:增材制造前沿》发表了题为“

Customized Design for Ergonomic Products via Additive Manufacturing Considering Joint Biomechanics”的文章。

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100085.

1. 论文亮点

（1）提出了一种考虑关节生物力学的增材制造人体工程学产品定制设计方法。

（2）定制产品具有轻量化的可变多孔结构。定制鞋垫可完全贴合足底，从而降低峰值足底压力。

（3）在物理制造前用数字孪生技术对概念设计原型进行评估。

Fig. 1The original insole, where (a) and (b) represent different views

2. 试验方法

根据基于邻域拓扑的图像重建方法和解剖学知识对人体足部结构进行三维重建，并通过测量足底压力进行静动态生物力学分析。采用梯度多孔结构作为基元，通过自适应生成结构参数以满足功能、舒适性等指标，有效均衡不同足部区域的压差。在可视化数字孪生技术的驱动下，借助增材制造将概念原型变为物理实物。

Fig. 2 Virtual 3D printing of the all-in-one shoes via visual digital twins

3. 结果

鞋垫表面与足底完全贴合，内部定制结构可以提供最佳的减震和力分布。均质鞋垫和定制鞋垫的最大峰值等效应力分别为2.2123MPa和1.8373MPa，后者可降低16.95%。在可视数字孪生技术的驱动下利用立体光刻技术制造，构建层厚可精细至小于0.1mm，提升分层制造人体工学实物的贴肤性。

Fig. 3 The optical micrograph of the insole surface: (a), (b) and (c), (d) represent two surfaces of manufacturing layers

4. 结论

提出了一种考虑关节生物力学的增材制造人体工程学产品定制设计方法，通过评估个体运动学、生物力学特性和需求，根据功能、舒适性等指标反馈，优化产品在复杂约束条件下的性能参数，实现轻量化的可变多孔度的流形结构。可视数字孪生技术可增强概念设计的灵感激发与原型评估能力，为大规模元宇宙级分层制造模拟奠定基础。

3D打印的矫形鞋垫采用人体工程学设计，适合运动康复

5. 前景与应用

人体工学定制产品可以满足个体的身体形态和需求，提高舒适度和人文关怀。 研究成果可用于改善康复过程，特别是针对运动障碍、关节失能或创伤后康复，提供快速响应需求的解决方案。

注：本文内容来自AMF增材制造前沿，转载已获授权。

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