Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, hiện nay tại Việt Nam có hàng nghìn người khuyết tật chân dưới gối cần sử dụng chân giả để cải thiện khả năng vận động. Tuy nhiên, các sản phẩm chân giả truyền thống thường có nhược điểm như trọng lượng nặng, cứng nhắc, giá thành cao và khó bảo dưỡng. Đặc biệt, các loại chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi (ESAR) với khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng giúp giảm tổn hao năng lượng khi đi lại vẫn chưa phổ biến do chi phí cao và công nghệ chưa được làm chủ trong nước.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật nhằm cải thiện dáng đi, giảm giá thành sản phẩm và tăng tính năng tích trữ năng lượng phù hợp với chu trình bước đi. Nghiên cứu được thực hiện trong 12 tháng, từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2013, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể bao gồm: tạo ra sản phẩm có khả năng cải thiện dáng đi tự nhiên, giảm tổn hao năng lượng, giảm áp lực lên mỏm cụt và khớp gối, đồng thời đơn giản hóa quá trình gia công, lắp ráp để giảm chi phí.

Sản phẩm nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật, đồng thời góp phần phát triển công nghệ chế tạo chân giả trong nước, giảm sự phụ thuộc vào sản phẩm nhập khẩu. Các chỉ số hiệu quả như độ cứng thiết kế 175 N/mm, sức chịu tải trung bình 80 kg với hệ số an toàn 1,5 được đặt ra để đảm bảo tính ứng dụng thực tiễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính:

  1. Đường cong tham số Bézier: Đây là công cụ toán học dùng để mô hình hóa hình dạng các khâu mềm trong khớp mắt cá chân giả. Đường cong Bézier bậc ba với 4 điểm điều khiển được sử dụng để thiết kế biên dạng các thanh đàn hồi, đảm bảo tính liên tục và thẩm mỹ cao. Các hàm cơ sở Bernstein giúp điều chỉnh hình dạng đường cong theo tham số t từ 0 đến 1, đảm bảo đường cong đi qua điểm đầu và cuối, đồng thời kiểm soát tiếp tuyến tại các điểm này.

  2. Lý thuyết cơ cấu mềm (Compliant Mechanism): Cơ cấu mềm truyền chuyển động và lực thông qua biến dạng đàn hồi của các khâu mềm thay vì các khớp động truyền thống. Ưu điểm của cơ cấu mềm là giảm chi phí, tăng độ chính xác, giảm mài mòn và không cần bảo dưỡng. Cơ cấu mềm hoàn toàn được sử dụng trong thiết kế khớp mắt cá chân giả nhằm tận dụng năng lượng đàn hồi tích trữ trong quá trình bước đi.

Ngoài ra, giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) được áp dụng để tối ưu hóa hình dạng các khâu mềm nhằm đạt được độ cứng mong muốn (175 N/mm) và phân bố năng lượng tích trữ phù hợp với từng giai đoạn của chu trình bước đi. GA là phương pháp tối ưu hóa phi tuyến đa mục tiêu dựa trên nguyên lý tiến hóa, sử dụng các toán tử chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm ra thiết kế tối ưu trong không gian 29 biến thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu mô phỏng số từ phần mềm MATLAB (thiết kế đường cong Bézier) và ABAQUS (phân tích phần tử hữu hạn FEM).
  • Dữ liệu thực nghiệm từ mẫu chân giả chế tạo bằng vật liệu Polyoxymethylene (POM) và thử nghiệm trên bệnh nhân khuyết tật.

Phương pháp phân tích:

  • Mô phỏng biến dạng, ứng suất và năng lượng đàn hồi tích trữ trong khớp mắt cá chân giả bằng FEM với mô hình 2D gồm 122 phần tử thanh B21.
  • Tối ưu hóa thiết kế bằng giải thuật di truyền với 40 thế hệ, mỗi thế hệ 20 cá thể, đánh giá dựa trên hàm mục tiêu liên quan đến độ cứng tại các vị trí tiếp xúc gót, gan bàn chân và mũi bàn chân.
  • Thử nghiệm thực tế trên bệnh nhân để đánh giá hiệu quả cải thiện dáng đi và phản hồi sử dụng.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ khâu phân tích lý thuyết, thiết kế mô hình, tối ưu hóa, chế tạo mẫu đến thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm nguyên khối: Phương án thiết kế nguyên khối bằng vật liệu POM được lựa chọn thay vì thiết kế ghép nhiều chi tiết nhằm giảm giá thành, trọng lượng và tăng độ chính xác. Thiết kế này không có sai số do lắp ráp, không bị mài mòn và không cần bảo dưỡng.

  2. Tối ưu hóa hình dạng bằng giải thuật di truyền: Sau 40 thế hệ với 20 cá thể mỗi thế hệ, thiết kế tối ưu đạt độ cứng mục tiêu 175 N/mm, phù hợp với tải trọng trung bình 80 kg và hệ số an toàn 1,5. Kết quả mô phỏng FEM cho thấy ứng suất tối đa dưới 76 MPa, đảm bảo an toàn vật liệu.

  3. Khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi: Các khâu mềm (gót, gan bàn chân, mu bàn chân) có khả năng biến dạng và tích trữ năng lượng đàn hồi tương ứng với từng giai đoạn của chu trình bước đi. Ví dụ, giai đoạn tiếp xúc gót tích trữ năng lượng lớn để giảm phản lực lên mỏm cụt, giai đoạn tiếp xúc mũi bàn chân hỗ trợ đẩy bước đi nhẹ nhàng.

  4. Phản hồi tích cực từ thử nghiệm thực tế: Mẫu chân giả bằng POM đã được thử nghiệm trên bệnh nhân khuyết tật với phản hồi rất tích cực về cảm giác thoải mái, dáng đi tự nhiên và giảm tiếng ồn khi di chuyển.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng cơ cấu mềm nguyên khối với thiết kế đường cong Bézier tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền là giải pháp hiệu quả để chế tạo khớp mắt cá chân giả phù hợp với người khuyết tật tại Việt Nam. So với các loại chân giả truyền thống như chân gỗ, chân hợp kim hay chân carbon nhập khẩu, sản phẩm này có ưu điểm về chi phí, trọng lượng nhẹ, dễ gia công và bảo dưỡng.

Việc tích trữ năng lượng đàn hồi giúp giảm tổn hao năng lượng sinh học khi đi lại, từ đó giảm mệt mỏi và cải thiện chất lượng cuộc sống cho người sử dụng. Các biểu đồ mô phỏng lực, biến dạng và năng lượng đàn hồi minh họa rõ sự phân bố năng lượng tại các khâu mềm trong chu trình bước đi, hỗ trợ đánh giá và điều chỉnh thiết kế.

So với các nghiên cứu quốc tế về chân giả ESAR, sản phẩm này có tính sáng tạo khi sử dụng vật liệu POM phổ biến trong nước và thiết kế đơn giản, không cần hệ thống điều khiển chủ động phức tạp, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tiếp tục hoàn thiện thiết kế và thử nghiệm đa dạng địa hình: Đề xuất mở rộng thử nghiệm trên nhiều bệnh nhân với các loại địa hình khác nhau (bằng phẳng, nhấp nhô, cầu thang) trong vòng 12 tháng tới nhằm đánh giá toàn diện hiệu quả sản phẩm.

  2. Phát triển quy trình sản xuất hàng loạt: Xây dựng quy trình gia công và lắp ráp chuẩn hóa, áp dụng công nghệ CNC để giảm chi phí và tăng tính đồng nhất sản phẩm trong 18 tháng tiếp theo, do các đơn vị sản xuất chân giả trong nước thực hiện.

  3. Hợp tác với các trung tâm chỉnh hình phục hồi chức năng: Tăng cường phối hợp với các chuyên gia chỉnh hình để hoàn thiện các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên lắp ráp và hướng dẫn sử dụng sản phẩm trong 6 tháng tới.

  4. Nghiên cứu mở rộng vật liệu và cấu trúc cơ cấu mềm: Khảo sát các vật liệu đàn hồi mới có tính năng cơ học ưu việt hơn POM và phát triển các cấu trúc cơ cấu mềm đa trục nhằm nâng cao tính linh hoạt và độ bền sản phẩm trong vòng 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế cơ cấu mềm ứng dụng trong chế tạo thiết bị hỗ trợ y tế, đặc biệt là kỹ thuật tối ưu hóa hình dạng bằng giải thuật di truyền.

  2. Chuyên gia chỉnh hình và phục hồi chức năng: Tham khảo để hiểu rõ cơ chế hoạt động và ưu nhược điểm của khớp mắt cá chân giả cơ cấu mềm, từ đó tư vấn và lựa chọn sản phẩm phù hợp cho bệnh nhân.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và chân giả: Có thể ứng dụng công nghệ thiết kế và chế tạo đơn giản, tiết kiệm chi phí để phát triển sản phẩm chân giả phù hợp với thị trường trong nước.

  4. Người khuyết tật và gia đình: Hiểu về các loại chân giả hiện đại, lợi ích của cơ cấu mềm trong cải thiện dáng đi và giảm mệt mỏi, từ đó có lựa chọn phù hợp với nhu cầu và điều kiện kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm có ưu điểm gì so với chân giả truyền thống?
    Khớp mắt cá chân cơ cấu mềm có trọng lượng nhẹ, giảm tiếng ồn, không cần bảo dưỡng, tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi giúp dáng đi tự nhiên và giảm tổn hao năng lượng. Ví dụ, sản phẩm thử nghiệm cho phản hồi tích cực về cảm giác thoải mái khi đi lại.

  2. Vật liệu POM có phù hợp để chế tạo khớp mắt cá chân giả không?
    POM có độ bền kéo 76 MPa, mô đun đàn hồi 2,6 GPa, không dẫn điện, không thấm nước, dễ gia công và thân thiện môi trường, rất phù hợp cho cơ cấu mềm trong chân giả. Đây là lựa chọn kinh tế và hiệu quả cho sản phẩm trong nước.

  3. Giải thuật di truyền được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Giải thuật di truyền tối ưu hóa hình dạng các khâu mềm bằng cách mã hóa 29 biến thiết kế, đánh giá độ cứng và năng lượng tích trữ, qua 40 thế hệ với 20 cá thể mỗi thế hệ để tìm thiết kế tối ưu đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

  4. Sản phẩm đã được thử nghiệm thực tế chưa?
    Mẫu chân giả bằng POM đã được lắp đặt và thử nghiệm trên bệnh nhân khuyết tật tại Trung tâm chỉnh hình phục hồi chức năng TP. Hồ Chí Minh với phản hồi tích cực về cải thiện dáng đi và cảm giác thoải mái.

  5. Làm thế nào để sản phẩm này được phổ biến rộng rãi hơn?
    Cần phối hợp giữa nhóm thiết kế, các trung tâm chỉnh hình và doanh nghiệp sản xuất để hoàn thiện sản phẩm, xây dựng quy trình sản xuất hàng loạt, đào tạo kỹ thuật viên và nâng cao nhận thức người dùng trong vòng 1-2 năm tới.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công khớp mắt cá chân giả bằng cơ cấu mềm nguyên khối sử dụng vật liệu POM, đáp ứng yêu cầu độ cứng 175 N/mm và tải trọng 80 kg.
  • Ứng dụng đường cong Bézier và giải thuật di truyền giúp tối ưu hóa hình dạng khớp mềm, phân bố năng lượng đàn hồi phù hợp với chu trình bước đi.
  • Mẫu thử nghiệm đã được thử trên bệnh nhân với phản hồi tích cực về cải thiện dáng đi, giảm tổn hao năng lượng và tiếng ồn.
  • Sản phẩm có tiềm năng giảm giá thành, đơn giản hóa quy trình sản xuất và bảo dưỡng so với các loại chân giả truyền thống và nhập khẩu.
  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện thiết kế, mở rộng thử nghiệm và phát triển quy trình sản xuất để đưa sản phẩm đến gần hơn với người khuyết tật trong nước.

Hành động tiếp theo là triển khai hợp tác với các trung tâm chỉnh hình và doanh nghiệp sản xuất để hoàn thiện và thương mại hóa sản phẩm trong vòng 1-2 năm tới, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật Việt Nam.