浙大谭建荣院士团队顶刊丨基于关节生物力学的增材制造人体工学产品定制设计

来源： 增材制造硕博联盟

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。

符合人体工程学的产品定制设计流程

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。

鞋垫原创概念设计

步行过程中鞋垫不同时间等效应力的分布

研究方法
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。

通过视觉数字双胞胎实现一体化鞋的虚拟3D打印

3D制作的矫形鞋垫采用符合人体工程学的运动康复设计

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。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

鞋垫侧面的光学显微照片

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。

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。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

谭建荣，中国工程院院士，浙江大学求是特聘教授、博士生导师。现任浙江大学设计工程及自动化系主任、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室学术委员会副主任、浙江大学CAD&CG国家重点实验室学术委员会委员，兼任中国图学学会名誉理事长、教育部工程图学教学指导委员会主任。先后获首届“国家杰出青年科学基金”、“中青年图形科技跨世纪人才”、国务院政府特殊津贴、“浙江省重点学科带头人”、“浙江省‘151’人才工程第一层次”、“浙江省新世纪重点培养人才”、国家863计划自动化领域CIMS主题设计自动化专题专家、国家“百千万人才第一二层次”、“科技部十五863先进个人”、“科技部十一五国家科技计划执行突出贡献奖”等荣誉和称号。提出了多品种大批量定制设计技术、多性能数字化样机设计技术和多参数分析与匹配设计技术，研究成果获国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖5项，省部级科技进步一等奖7项，教学成果获国家级优秀教学成果奖3项，其中一等奖1项，二等奖2项。将提出的技术固化在软件中，开发并获得计算机软件著作登记权12项。