在過(guò)去的幾十年里，模仿骨骼肌收縮運(yùn)動(dòng)的人工肌肉取得了長(zhǎng)足發(fā)展，憑借其高輸出力重比、固有柔順性以及與人體生理結(jié)構(gòu)的兼容性，在可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，一個(gè)長(zhǎng)期存在的缺陷嚴(yán)重制約了其應(yīng)用：絕大多數(shù)人工肌肉缺乏力覺(jué)感知能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我力調(diào)節(jié)。這類似于骨骼肌中的腱梭（Golgi tendon organ）所扮演的角色——負(fù)責(zé)感知肌肉輸出力并參與力調(diào)節(jié)——在人工肌肉系統(tǒng)中長(zhǎng)期缺失。因此，現(xiàn)有的基于人工肌肉的可穿戴設(shè)備往往只能依賴經(jīng)驗(yàn)性的開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法在力控環(huán)境中精確維持所需的輔助力。特別是在下肢輔助等場(chǎng)景中，如何為人工肌肉集成一種既能有效傳遞力、又能精確感知力，并且具備自調(diào)節(jié)能力的通用裝置，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

受骨骼肌中腱梭的啟發(fā)，香港中文大學(xué)Raymond Kai-Yu TONG教授和訾云龍教授合作提出了一種名為“ExoTendon”的仿生人工肌腱，作為人工肌肉的力傳感與調(diào)節(jié)通用解決方案。該裝置基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，具有高線性度、低遲滯性、可調(diào)的靈敏度和量程，能夠作為人工肌肉的“肌腱”使用。ExoTendon能有效調(diào)節(jié)人工肌肉的預(yù)緊力，使相同輸入下產(chǎn)生不同的輔助力。通過(guò)優(yōu)化預(yù)緊力水平和閉環(huán)力控制，基于人工肌肉的外骨骼服實(shí)現(xiàn)了自我力調(diào)節(jié)，在低輸入條件下顯著改善了中風(fēng)患者的行走平衡與速度，展示了其在可穿戴機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。相關(guān)論文以“Filament sensing tension: A bionic artificial tendon for self–force-regulated artificial muscle–driven wearable robotics”為題，發(fā)表在Science Advances上。

仿生設(shè)計(jì)與工作機(jī)制：從腱梭到ExoTendon filament

受人體骨骼肌中腱梭的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了ExoTendon filament（外肌腱絲）。在人體中，腱梭位于骨骼肌與其肌腱之間，將兩者串聯(lián)起來(lái)。腱梭由纏繞在膠原纖維上的1b感覺(jué)軸突組成，當(dāng)膠原纖維受到張力時(shí)，軸突受到壓迫產(chǎn)生動(dòng)作電位，從而通知中樞神經(jīng)系統(tǒng)感知外力變化。仿照這一原理，ExoTendon filament采用雙絲或三絲配置結(jié)構(gòu)，可直接與絲狀人工肌肉串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)張力感知與調(diào)節(jié)。雙絲配置由一根正電極絲和一根負(fù)電極絲（具有不同介電涂層）纏繞而成；三絲配置則將正極絲移至外層，中心為純介電芯絲，通過(guò)更換芯材可實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景所需的量程與靈敏度。其工作機(jī)制基于摩擦起電與靜電感應(yīng)：當(dāng)絲線接觸時(shí)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，施加拉力會(huì)使螺旋負(fù)絲的中心直徑減小，增大絲間接觸面積，從而降低電勢(shì)差。通過(guò)測(cè)量這一電勢(shì)差，ExoTendon filament即可有效感知所受力的大小。數(shù)百個(gè)繞組的累積電荷效應(yīng)使其在微小力下也能產(chǎn)生顯著電壓輸出。

圖1. ExoTendon絲的仿生設(shè)計(jì)概念。 （A）如何獲取絲線和織物上的張力？人體骨骼肌中的高爾基腱器官就是答案。高爾基腱器官是與中樞神經(jīng)系統(tǒng)交互的張力本體感受器，能夠檢測(cè)肌肉負(fù)荷。在結(jié)構(gòu)上，高爾基腱器官位于骨骼肌及其肌腱之間，將兩者串聯(lián)連接。類似地，ExoTendon絲可以與人工肌肉系統(tǒng)集成，模仿高爾基腱器官的張力感知能力。MCU，微控制單元。 （B）高爾基腱器官由與膠原纖維交織的1b感覺(jué)軸突組成。當(dāng)膠原纖維受到張力時(shí)，軸突受到壓縮力，產(chǎn)生動(dòng)作電位，指示肌肉張力的變化。類似地，ExoTendon絲可以采用雙絲配置（藍(lán)色），將負(fù)極絲纏繞在正極絲周圍，或采用三絲配置（灰色），將負(fù)極絲和正極絲纏繞在芯絲周圍。在拉伸載荷下，ExoTendon絲螺旋絲的中心直徑收縮，導(dǎo)致反映所施加張力的整體輸出電壓下降。 （C）高爾基腱器官的1b軸突表現(xiàn)出準(zhǔn)確檢測(cè)肌肉張力變化的能力。ExoTendon絲的歸一化模型、有限元模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出與輸入力的線性輸出關(guān)系。

性能評(píng)估：線性響應(yīng)、可調(diào)范圍與高魯棒性

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)ExoTendon filament的傳感性能進(jìn)行了系統(tǒng)的定量評(píng)估。實(shí)驗(yàn)表明，輸入張力與輸出電壓之間呈現(xiàn)優(yōu)異的線性關(guān)系，這一結(jié)果與理論模型和有限元模擬高度吻合。有趣的是，在相同張力下，ExoTendon filament的輸出電壓隨其原始長(zhǎng)度的增加而線性增加，顯示出累積效應(yīng)。雖然單根PTFE-0.4Nylon-silver配置的ExoTendon filament線性測(cè)試范圍僅為10 N，但通過(guò)將多根絲線并聯(lián)，可將量程擴(kuò)展至數(shù)百牛頓，同時(shí)靈敏度保持不變。通過(guò)增加傳感器長(zhǎng)度，系統(tǒng)甚至可分辨低至0.02 N的力。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，ExoTendon filament在8 Hz以內(nèi)的振動(dòng)頻率下輸出保持穩(wěn)定，即使在更高頻率下也能滿足應(yīng)用需求。經(jīng)過(guò)超過(guò)6000次循環(huán)測(cè)試，其輸出未見(jiàn)衰減；60,000次循環(huán)后，輸出范圍衰減不足5%。為了全面評(píng)估性能，研究定義了五個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：量程、線性度、靈敏度、遲滯性和魯棒性。研究發(fā)現(xiàn)，螺距對(duì)靈敏度有顯著影響，2.5 mm螺距在較高靈敏度和制造效率之間取得了良好平衡。四種不同配置的ExoTendon filament均表現(xiàn)出高線性度（最高達(dá)0.9982）和低遲滯性（最低至4.6%），同時(shí)量程和靈敏度各異。特別值得一提的是，其遲滯性獨(dú)立于芯絲性質(zhì)，且傳感器對(duì)徑向壓力的響應(yīng)遠(yuǎn)低于軸向張力，最高魯棒性指標(biāo)達(dá)到44.2045。此外，ExoTendon filament還展現(xiàn)出良好的耐久性、耐濕性和耐溫性，滑輪引導(dǎo)對(duì)其輸出影響小于3%，充分證明了其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的可靠性。

圖 2. ExoTendon 絲的原理、制造與表征。 （A）ExoTendon 絲的工作原理。 （B）ExoTendon 絲可使用高速繞線機(jī)制造。 （C）50米長(zhǎng)ExoTendon 絲的快速制造結(jié)果。 （D）在相同張力下，ExoTendon 絲的輸出隨其原始長(zhǎng)度增加而增加。 （E）ExoTendon 絲的測(cè)試量程隨并聯(lián)數(shù)量成倍增加，而靈敏度保持不變。 （F）當(dāng)測(cè)試頻率高達(dá) 8 Hz 時(shí)，ExoTendon 絲的輸出保持不變。 （G）ExoTendon 絲的輸出先隨節(jié)距增加而增加，隨后隨節(jié)距增加而減少。 （H）四種配置的ExoTendon 絲表現(xiàn)出不同的靈敏度、線性范圍和低遲滯性。 （I）這四種配置之間性能比較的蜘蛛圖。

與人工肌肉的集成：分布式力傳感與“超肌腱”

ExoTendon filament能夠直接與絲狀人工肌肉串聯(lián)集成。然而，當(dāng)部署成束絲狀或平面型人工肌肉以模擬骨骼肌行為時(shí)，多通道測(cè)量和分布式張力傳感成為挑戰(zhàn)。得益于ExoTendon filament沿長(zhǎng)度方向均勻的靈敏度，單根ExoTendon可多次折疊，其總輸出即為各段受力之和，而與張力分布無(wú)關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)將ExoMuscle（一種平面人工肌肉）與ExoTendon filament并聯(lián)縫制在織物上，使ExoTendon充當(dāng)腱梭的角色。通過(guò)刺繡機(jī)將ExoTendon filament以平行排列的方式集成到織物基底上，確保了每段絲線保持筆直且長(zhǎng)度均勻。舉重測(cè)試表明，即使力集中在中間而兩側(cè)較低，ExoTendon的輸出與頂部的力傳感器測(cè)量值相比，均方根誤差僅為1.9%。更令人興奮的是，受骨骼肌羽狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，雙ExoTendon以不同角度排列，可作為“超肌腱”同時(shí)測(cè)量力的大小和方向，而普通肌腱只能感知力的大小。

圖3. ExoTendon與平面人工肌肉的集成。 （A）平面人工肌肉——ExoMuscle的仿生結(jié)構(gòu)旨在模擬外部穿戴時(shí)骨骼肌的行為。 （B）ExoTendon絲與ExoMuscle平行縫制在織物上，作為高爾基腱器官等效的肌腱。 （C）制造方法——使用刺繡機(jī)將ExoTendon絲集成到織物上。 （D）分布張力感知驗(yàn)證。 （E-F）舉重測(cè)試驗(yàn)證ExoTendon感知張力總和的能力。 （G）骨骼肌的羽狀架構(gòu)。 （H）ExoMuscle通過(guò)平面設(shè)計(jì)復(fù)制羽狀能力。 （I）雙ExoTendon作為超肌腱，同時(shí)感知力的大小和方向。

應(yīng)用驗(yàn)證：助力中風(fēng)患者髖關(guān)節(jié)外骨骼服

中風(fēng)幸存者常伴有下肢感覺(jué)運(yùn)動(dòng)障礙，其中髖屈肌無(wú)力是典型表現(xiàn)之一。與采用應(yīng)變片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備不同，人工肌肉驅(qū)動(dòng)的設(shè)備缺乏有效的力調(diào)節(jié)能力，用戶只能以經(jīng)驗(yàn)方式穿戴，控制為開(kāi)環(huán)模式，無(wú)法維持所需力。為此，研究團(tuán)隊(duì)將ExoTendon與ExoMuscle串聯(lián)，設(shè)計(jì)了一款緊湊型外骨骼服，旨在為中風(fēng)患者提供步行輔助。當(dāng)外骨骼服加壓時(shí)，輔助髖關(guān)節(jié)屈曲。由于人工肌肉通過(guò)彈性綁帶與身體連接，且皮膚和肌肉自身也具有彈性模量，人工肌肉的收縮長(zhǎng)度或應(yīng)變并不能直接反映施加在大腿上的輔助力。而串聯(lián)了ExoTendon后，自我力調(diào)節(jié)或有效的閉環(huán)控制成為可能。關(guān)鍵問(wèn)題在于，人工肌肉具有固定的收縮比。預(yù)緊力過(guò)低會(huì)導(dǎo)致力響應(yīng)延遲，甚至無(wú)法達(dá)到所需輔助力；預(yù)緊力過(guò)高則會(huì)限制髖關(guān)節(jié)伸展。實(shí)驗(yàn)表明，在相同輸入壓力下，預(yù)緊力越高，對(duì)身體的輔助力越大，從而為中風(fēng)患者帶來(lái)更大的屈曲角度。但過(guò)高的預(yù)緊力也會(huì)增加伸展時(shí)的阻力。因此，優(yōu)化預(yù)緊力至關(guān)重要。通過(guò)ExoTendon提供的力反饋，可在穿戴時(shí)調(diào)節(jié)最佳預(yù)緊力。閉環(huán)力控制實(shí)驗(yàn)顯示，實(shí)際輔助力逐漸收斂至目標(biāo)值，而所需的輸入壓力在50 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)，證明了開(kāi)環(huán)氣壓控制無(wú)法可靠地確定對(duì)身體的真實(shí)作用效果。最終，穿戴預(yù)緊力優(yōu)化的髖外骨骼服后，三名受試者的患側(cè)髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍平均增加了5°，步行速度提高了0.1 m/s以上。

圖4. ExoTendon調(diào)節(jié)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的髖部外骨骼的輔助力。 （A）傳統(tǒng)方法應(yīng)用人工肌肉時(shí)不評(píng)估預(yù)緊力，并使用開(kāi)環(huán)控制，不了解實(shí)際輔助力。 （B）ExoTendon與ExoMuscle串聯(lián)連接，當(dāng)ExoMuscle收縮時(shí)，通過(guò)ExoTendon反饋力輔助髖關(guān)節(jié)屈曲。 （C）基于ExoTendon，首先在穿戴人工肌肉時(shí)可以確定優(yōu)化的預(yù)緊力；然后使用ExoTendon作為力調(diào)節(jié)介質(zhì)進(jìn)行閉環(huán)力控制，可以穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)所需的輔助力。 （D）當(dāng)人工肌肉穿戴在身體上時(shí)，集總模型是人工肌肉通過(guò)未知彈性模量的彈性部分連接到關(guān)節(jié)。 （E）在相同輸入壓力下，最大輔助力隨預(yù)緊力水平增加而增加。 （F）最大伸展角隨預(yù)緊力水平增加而減小。 （G）輔助力控制過(guò)程。 （H）在優(yōu)化預(yù)緊力水平和調(diào)節(jié)輔助力下，患側(cè)髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍增加。

總結(jié)與展望

本研究報(bào)道了一種用于自我力調(diào)節(jié)的人工肌肉驅(qū)動(dòng)可穿戴機(jī)器人的仿生人工肌腱。所提出的ExoTendon模仿了骨骼肌中腱梭的功能，通過(guò)摩擦電絲作為張力傳感器，具有高線性度、低遲滯性以及對(duì)徑向壓力和彎曲的高魯棒性。通過(guò)改變芯材和螺距，可以調(diào)節(jié)其量程和靈敏度。與傳統(tǒng)的間接張力傳感方法相比，ExoTendon具有柔軟、順應(yīng)、緊湊以及可在集中和分布式張力傳感場(chǎng)景中無(wú)縫集成的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)刺繡機(jī)將其以平行排列的方式集成到織物上，ExoTendon能夠感知總力而無(wú)論其分布如何。兩個(gè)ExoTendon還可作為人工肌肉的“超肌腱”，不僅感知力的大小，還能感知力的方向。ExoTendon解決了人工肌肉在力調(diào)節(jié)方面的不足，增強(qiáng)了人工肌肉中感知與驅(qū)動(dòng)的融合。此外，該方法為下一代具有自我力調(diào)節(jié)能力的可穿戴機(jī)器人提供了實(shí)現(xiàn)路徑，將在輔助和康復(fù)機(jī)器人等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。