硅胶肌肉助力肩部负荷精准测试
通过机械系统研究所开发的肩部模拟器，MyoPlus项目团队成功模拟并测量了三角肌各肌束在肩部运动中承担的负荷。这项研究对于理解肩关节在多种生理与病理状态下的力学表现具有重要意义，例如在制定矫形手术方案或评估植入物性能时，能够提供更可靠的生物力学数据。
在由苏黎联邦理工学院下属的机械系统研究所（IMES）与意大利比萨圣安娜大学共同参与的EELISA联盟项目“MyoPlus”中，研究团队正致力于开发并验证一套面向自然关节及其植入物的创新型肌肉建模实验系统。该项目的核心任务是构建一个具备体积特征的三角肌三维模型，相比传统模型中简单地将肌肉附着于骨骼表面的简化方式，该模型更精确地还原了肩关节的实际力臂特性——即肌肉作用力相对于关节旋转中心的力臂长度。人体肌肉的生物力学行为极为复杂，其功能发挥依赖于与关节、肌腱、韧带等组织的协同作用，因此实现对人体肌肉的真实模拟极具挑战。然而，这种模拟对于理解手术干预或损伤后人体部位的功能变化至关重要。
“在肩关节中，肌肉的作用尤为关键。”
图为肩部模拟器中仿生肩关节的内部结构特写。
MyoPlus项目之所以聚焦于肩部，部分原因在于肩关节假体的长期临床效果远不如髋关节或膝关节那样可预测。IMES研究助理、生物力学工程专家Molly Abraham指出：“从生物力学角度看，肩关节远比髋或膝关节复杂。肌肉在维持肩关节功能中起着决定性作用，尤其是构成肩袖的肌群，它们是肩部最强大的肌肉，对运动控制至关重要。”她补充道：“手术后肌肉功能往往会下降，这种现象对肩部的影响尤其显著。”为深入探究这一问题，研究团队依托机械系统研究所开发的肩关节模拟器，由项目负责人Daniel Baumgartner、Jeremy Genter与Molly Abraham共同主导开展一系列力学测试。
精准解析肌肉负荷分布
该肩部模拟器采用定制化3D打印技术制造出仿真的肩胛骨、肩关节及肱骨结构。通过在肱骨上附加配重块，模拟整个手臂的质量分布，以实现真实的负载条件。为了进一步提升模型的生理真实性，研究团队为其配备了一层由硅胶制成的三角肌仿生肌肉结构，并通过电机驱动的缆绳系统控制其运动。肩部其他肌群则由同样由电机牵引的合成纤维绳索模拟。这一设计使得模拟器能够实现类似人体肩部的抬升与旋转动作。整个系统上布置了多种传感装置，包括力传感器与陀螺仪，用以实时监测施力位置及其大小。此外，研究还可通过断开特定肌肉单元来模拟损伤或功能障碍，从而系统分析不同肌束在运动中的负荷分担。
“自项目启动以来，我们不断迭代优化肌肉模型，使其逐步逼近真实生理状态。”
——Molly Abraham，IMES研究助理
初步测量结果显示，肌肉出力、关节对位状态及生物力学负荷分布之间存在紧密耦合关系。即使微小的解剖或力学改变，也足以引发肩关节内部力量传导路径的显著变化。“尤为值得关注的是，健康肌肉会在一定程度上试图补偿受损肌群的功能缺失，”Molly Abraham解释道，“但这种补偿并非全能，久而久之可能反而引发新的病变。”通过IMES开发的模拟平台，研究团队能够量化这些机制，从而为临床上避免此类继发性问题提供理论依据。
“堪称完美的合作伙伴”
EELISA项目合作伙伴——比萨圣安娜大学的研究团队则专注于开发模拟肩袖肌群的硅胶肌肉模型，并在IMES平台上进行整合测试。该团队创新性地采用McKibben型气动人工肌肉驱动，通过调节气压替代传统缆绳控制关节运动。Molly Abraham对双方合作评价道：“圣安娜大学是我们肩关节模拟研究中最理想的合作伙伴。我们曾有机会实地访问该校，其医疗技术研究所规模庞大、研究实力雄厚，令人印象深刻。”
推进医疗照护的优化进程
MyoPlus项目的研究成果初步验证了体积化三角肌建模在降低模拟驱动力的重要性。相比传统模型，体积模型更真实地还原了力臂结构，避免了因忽略肌肉空间分布而导致的过高驱动力估计，从而为肩部手术、植入物设计以及康复策略评估提供了更精确的力学依据。与此同时，该项目也充分展示了仿生机械模拟在生物力学研究中的广阔前景——每一环节的建模精度提升，都在推动整体仿生性能不断接近真实。从长远来看，将高保真肌肉模型与机械模拟系统深度融合，将有望为肩部疾病或损伤患者的个体化治疗方案制定提供坚实的数据支持，从而显著改善其术后康复质量与生活功能恢复。
