你知道嗎？我們身上的肌肉，不光會收縮，還能感知自己用了多大勁，靠的不止是大腦直接下令，而是藏在肌肉和肌腱交界處的高爾基腱器官。

但對人造肌肉來說，過去幾十年一直有個尷尬。它只會使蠻力。收縮、拉伸、輔助行走，全靠工程師開環(huán)控制，憑感覺調(diào)氣壓。到底給人體加了多少力？不知道。預(yù)張力緊不緊？靠手摸。

現(xiàn)在，這個困局被一項登上《Science Advances》的成果打破了。來自香港中文大學(xué)及香港科技大學(xué)的研究團(tuán)隊，從人體肌腱中獲得靈感，造出了一種名為 ExoTendon 的仿生外骨骼肌腱，讓人工肌肉驅(qū)動的外骨骼第一次擁有了自主力調(diào)節(jié)的能力，顯著改善了中風(fēng)患者在低輸入下的行走平衡和速度。

01.

一個一直未被解決的老問題

過去幾十年，人工肌肉發(fā)展飛快。從早期的McKibben氣動肌肉，到各種絲狀、平面狀、折紙式人工肌肉，它們輕便、柔順、力量大，在康復(fù)外骨骼和假肢領(lǐng)域被寄予厚望。

但問題來了，這些人工肌肉要么只集成了收縮長度傳感器，要么干脆沒有任何力感知能力。在實(shí)驗(yàn)室里還行，一穿到人身上就抓瞎。

尤其是用于中風(fēng)患者下肢輔助時，人工肌肉通過彈性綁帶固定在腿上。皮膚、肌肉、綁帶都是彈性體，整個系統(tǒng)像個“串聯(lián)彈簧”。光知道肌肉縮了多少，根本推導(dǎo)不出它到底對人體施加了多大的輔助力。

預(yù)張力松了，輔助力遲遲上不來；預(yù)張力緊了，腿伸不直，反而拖累患者行走。傳統(tǒng)的做法是憑經(jīng)驗(yàn)穿戴、開環(huán)控制，效果全看運(yùn)氣。

02.

一根絲線，模仿了人體肌腱的“張力哨兵”

問題怎么解決？ExoTendon的靈感，直接來源于人體高爾基腱器官的工作原理。高爾基腱器官串聯(lián)在肌肉和肌腱之間，當(dāng)肌肉發(fā)力拉伸膠原纖維時，會擠壓其中的感覺神經(jīng)末梢，產(chǎn)生電信號報告張力大小。

研究團(tuán)隊用摩擦起電原理，造出了功能相似的“絲狀傳感器”。它由正極絲和負(fù)極絲纏繞而成，芯部是一根介電材料。當(dāng)受到拉力時，螺旋狀的負(fù)極絲收緊，芯部直徑變小，絲與絲之間的接觸面積增加，導(dǎo)致電勢差下降。

這個變化被實(shí)時檢測出來，就能精確反映拉力的大小。

ExoTendon 絲的仿生設(shè)計概念

這根絲輸入力與輸出電壓呈線性關(guān)系，線性度最高可達(dá)0.9982，滯后最低僅4.6%。通過改變芯材彈性模量和纏繞螺距，靈敏度與量程還可以靈活調(diào)節(jié)。單根量程雖只有10N級別，但多根并聯(lián)后能輕松擴(kuò)展到數(shù)百牛頓，完全夠用在人工肌肉上。

更妙的是它的抗干擾能力。橫向按壓、滑輪導(dǎo)向、剪切力對它影響極小。即便濕度達(dá)到90%，溫度升高20℃，輸出依然穩(wěn)定。一根50米長的絲線用工業(yè)編織機(jī)就能快速制造，涂覆聚氨酯封裝后堅固耐用。

03.

一根不夠？那就縫一片“智能肌腱布”

如何把自控力能力融入人工肌肉？要獲得更高的輸出力，單根的絲狀人工肌肉需要將傳感器成束部署，實(shí)際應(yīng)用時由于對多通道傳感的需求并不現(xiàn)實(shí)，而平面型人工肌肉（比如ExoMuscle）覆蓋面積大，張力分布不均勻。

如果每隔一段就裝一個傳感器，信號通道會多到無法處理。于是研究團(tuán)隊找到了一個極聰明的辦法。

他們把ExoTendon絲線用刺繡機(jī)平行縫在織物基底上，做成一片“肌腱布”。由于每根絲的性能一致且線性輸出，無論張力是均勻分布還是集中在某一側(cè)，這片布輸出的電壓信號只取決于通過它的總力大小，不受力分布方式的影響。

研究團(tuán)隊做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們先用一個雙模塊ExoMuscle串聯(lián)這片“肌腱布”，將10公斤重物懸掛在中間綁帶上，此時力集中在中間，結(jié)果ExoTendon的輸出與商用測力傳感器相比，均方根誤差僅為1.9%。另一組分布力測試同樣證實(shí)，即使重物偏向一側(cè)導(dǎo)致各根絲受力不均，整體輸出依然只與總力掛鉤，不受力分布方式的干擾。

ExoTendon 可作為不同類型人工肌肉的力感應(yīng)肌腱

04.

中風(fēng)患者的行走革命

這項研究最硬核的驗(yàn)證，是一款髖關(guān)節(jié)外骨骼。

研究團(tuán)隊把ExoTendon與ExoMuscle串聯(lián)，做成一款髖關(guān)節(jié)屈曲輔助外骨骼，找來了三位中風(fēng)患者進(jìn)行測試。

中風(fēng)患者常伴隨髖屈肌無力，行走困難。傳統(tǒng)氣動肌肉外骨骼的問題是，佩戴時預(yù)張力不確定，運(yùn)行時也不知道實(shí)際輔助力多少，只能開環(huán)控制，輸入氣壓和輸出助力之間沒有準(zhǔn)譜。

ExoTendon的加入改變了游戲規(guī)則。

第一步，優(yōu)化預(yù)張力。在相同氣壓輸入下，預(yù)張力越高，最終施加到腿上的輔助力越大。但預(yù)張力過大又會阻礙伸腿。借助ExoTendon的實(shí)時力反饋，研究人員為每位患者找到了最佳平衡點(diǎn)。

第二步，閉環(huán)力控制。基于ExoTendon的反饋，系統(tǒng)用簡單的比例積分控制器，就能把實(shí)際輔助力收斂到目標(biāo)值。實(shí)驗(yàn)顯示，盡管輸入氣壓在50kPa范圍內(nèi)波動，輸出助力卻能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。這說明僅靠氣壓開環(huán)控制是不可靠的，力反饋閉環(huán)才是正解。

ExoTendon 調(diào)節(jié)人工肌肉驅(qū)動髖關(guān)節(jié)外骨骼的輔助力

最終結(jié)果令人振奮。在低輸入壓力下，三位患者的患側(cè)髖關(guān)節(jié)活動范圍平均增加了5°，步行速度每人提升超過0.1米/秒。對于步速通常在0.5-0.8米/秒的中風(fēng)患者而言，這個提升意味著從“室內(nèi)挪步”到“社區(qū)行走”的質(zhì)變。

05.

未來與結(jié)語

ExoTendon的意義遠(yuǎn)不止一項傳感器技術(shù)。它首次為絲狀和平面人工肌肉提供了一種通用、可擴(kuò)展的力感知與力控制方案，打通了人工肌肉從“開環(huán)盲動”到“閉環(huán)智控”的關(guān)鍵一環(huán)。

有了它，未來的軟體外骨骼可以像人體一樣，根據(jù)實(shí)時負(fù)載自動調(diào)節(jié)輔助力大小；多根人工肌肉協(xié)同工作時，也能通過力反饋實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的力分配策略。甚至，配合更高級的控制算法，人工肌肉驅(qū)動的機(jī)器人將擁有真正的本體感覺。

換句話說，無論是康復(fù)外骨骼、助力外骨骼，還是未來的假肢，都能知道自己使多大勁才能安全有效地與人交互。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品化還有距離。封裝耐久性、信號處理電路的小型化、與不同人工肌肉系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)化，都是接下來的課題。但無論如何，這根看似普通的絲線，已經(jīng)為下一代有感覺、會調(diào)節(jié)的智能可穿戴設(shè)備，推開了一扇新的大門。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2709