【复材视界】依靠CFRP进行无动力运动的外骨骼系统

近年来外骨骼的开发和使用正在不断增长，据悉目前全球有数十家制造商正在开发/生产模型，其中至少有五种模型已经获得美国联邦药品管理局的批准，用于修复神经肌肉疾病（如脊髓损伤、中风引起的瘫痪）的患者。

但是，外骨骼系统仍然面临着一些挑战，工程师们不仅要考虑降低成本（如为步行提供动力的下肢模型的价格降低至60,000-150,000美元），而且还在为提供足够的动力、确保关节灵活性、减轻重量并使外骨骼更易于定制从而使佩戴者更容易适应等领域而努力。

位于日本琦玉的内田碳纤维复合材料技术公司（Uchida Carbon Composite Technology）是一家专业开发外骨骼的公司，它的产品C-FREX可穿戴在不能独立行走的患者并为其提供支撑。

CFRP专家Uchida公司开发出了C-FREX外骨骼，由重量轻的电动机和电池供电，可为患有脊髓损伤的人们提供移动性。C-FREX采用新颖的轻巧设计取代了金属框架元件和动力马达，它使用CFRP及其弹性特性帮助佩戴者更自然地行走而不会移动其腿部。

C-FREX没有使用重型电动机或电池组，取而代之的是，它利用了碳纤维增强塑料（CFRP）组件的强度、刚度和重量轻等特点，但它依然为佩戴者提供了力量。与重量为20-24千克的动力模型相比，C-FREX的重量约为8千克。CFRP的弹性势能是C-FREX设计的关键，并且由于数十年来在各种各样的复合材料结构上的研究，因此成为C-FREX设计的关键。

内田公司成立于1968年，当时是为百货公司生产玻璃纤维增强塑料（GFRP）人体模型。1980年，该公司开始为日本一家领先的摩托车制造商生产空气动力学赛车前围板。客户后来要求使用CFRP制造原型，从而使内田成为本田赛车公司的正式合作伙伴。

内田公司随后扩展到CFRP汽车部件，然后在1991年进入航空航天领域。该公司于1999年安装了第一台高压釜设备。到2003年，它又安装了两台高压釜和第二台无尘室，于2007年建立了新工厂，到2014年成为包括大众奥迪、阿古斯塔韦斯特兰、和IHI航空航天等公司的供应商和开发伙伴。

2015年内田公司与日本国家残疾人康复中心和exiii Inc.的工业设计师开始开发C-FREX，使用CFRP制作轮椅和步行矫正器，并将其发展为集成式移动设备。C-FREX团队研究始于1990年代开发的ARGO（先进的往复式步态矫正器）结构。与大多数ARGO设备一样，C-FREX框架的结构允许穿戴者使用它的上身向前摆动一条腿，Uchida设计了一种形状，可以使此过程变得更加容易。

C-FREX设计解决了当前设备的笨重问题，它在大腿处使用碳纤维材料，以便通过更自然的运动传递动力，而CFRP材料的弹性也使脚的传递更加容易。使用脚部CFRP板中的弹簧来激活弹性能，以得到先前聚碳酸酯所产生的向前推力塑料无法生产。2017到2018年，公司使用延伸机构开发了膝关节屈曲系统。C-FREX膝关节在与步行周期对齐时会弯曲和伸展，这使RGO和ARGO设备具有直腿步行机制的特征，但具有改善的，更自然的，更少的身体压力步态。

使用Markforged（美国马萨诸塞州沃特敦）3D打印机，用连续的碳纤维增强尼龙3D打印此膝盖，并使用金属部件来完成关节机制。支撑大腿的部位也进行了3D打印。这些产品从预浸料中脱颖而出，因为它们需要根据客户的长短进行定制，以适合每个用户。C-FREX原型使用了日本帝人公司的W-3101-A / Q-1120E 3K平纹碳纤维/环氧树脂预浸料。

C-FREX通过弯曲主机架的膝盖并将其连接到专用轮椅单元，它可以用作轮椅，轮椅提供了移动性，而C-FREX是一种康复工具，可以保留剩余的神经、肌肉和循环功能，并改善整体健康状况。后续，内田公司将继续开发C-FREX，提高膝盖功能可通过适当的机械控制来锁定和解锁。