提起波士顿龙虾，你最先想到的是什么？肉质嫩滑细腻，入口清爽弹牙，鲜美十足，回味无穷……
图 | 波士顿龙虾（来源：Pixabay）
除了口感让人流连忘返，波士顿龙虾中的营养价值更是全球吃货交口称赞 —— 因长期生活在 600~700 米以下的寒冷海域，所以波士顿龙虾的生长周期非常缓慢，每增长一磅最少需要 7 年时间，正因如此，其身体内累积了高蛋白、维生素 A、C、D 及钙、钾、镁、铁、等微量元素等一系列易被人体吸收的营养物质。
在中国，许多宴请都少不了波士顿龙虾的身影，其高高举过头顶的两个硕大的前螯，占总体重的 15%，有着 “独占鳌头” 的寓意。
除了内里丰厚的肉质和美好的寓意，波士顿龙虾的前螯里还藏着科学的奥秘 —— 其前螯有着异常坚硬的外壳，但连接的关节处却格外灵活。这种外骨骼结构有利于保护它们免受伤害，捕食其他生物并以最快的反应速度逃离天敌。那么，能否对这种结构进行仿生研究，为外骨骼机器人提供柔韧的关节，提升穿戴者的体验？
图 | 珍宝蟹前鳌关节（来源： 西安交大）
近日，西安交通大学西安交通大学 “腾飞人才” 特聘教授、博士生导师徐光华团队以节肢类生物中的两类优势种群生物为研究对象，包括甲壳类的珍宝蟹和波士顿龙虾以及昆虫类的蝗虫和沫蝉，首次提出一种具有一对反向共轭面的刚柔一体的外骨骼模型，并将其应用于人手外骨骼的设计中，通过融合生物关节优势与人体运动特性，克服了目前手功能损伤患者所用的康复辅助设备中普遍存在的体积重量大、机械结构复杂、传动效率低、适配性差等缺陷。因此，这种新型仿生关节可用于可穿戴式外骨骼康复机器人。
图 | 关节模型原型的运动捕获（来源：IEEE Access）
该研究成果于 1 月 6 日发表在 IEEE Access 杂志上，论文标题为《一种通用的节肢关节模型及其在机器人关节建模中的应用》（A General Arthropod Joint Model and Its Applications in Modeling Human Robotic Joints）。
图 | 相关论文（来源：IEEE Access）
解剖节肢动物，首次提出外骨骼生物关节模型
节肢类生物节肢动物门又称节肢动物，是动物界最大的一门，主要包括四大类：昆虫类、甲壳类、蛛形类以及多足类。全世界约有 120 万现存种，占整个动物种数的 80%。具有发达坚厚的外骨骼是节肢动物最大的特点，它们生活环境极其广泛，海水、淡水、土壤、空中都有它们的踪迹。
图 | 典型的节肢动物种类（来源：西安交大）
昆虫是地球上数量最多的动物群体，昆虫类动物中，弹跳能力最强的四类生物分别为：沫蝉，跳蚤，蝗虫和蟋蟀。其中以蝗虫最为常见。目前科研人员对于蝗虫结构进行了大量的解剖研究，蝗虫弹跳关节主要由一对具有共轭面的结构铰接而成，同时关节具有柔性组织（半月组织），以保证关节连接的稳定性。据此，徐光华团队初步提出了具有一对共轭面的刚柔一体的关节模型。
图 | 蝗虫节肢结构特征提取（来源：西安交大）
为了探索该关节模型在节肢动物中是否具有普遍性，他们选择了同样作为节肢动物的甲壳类动物作为研究对象。选取甲壳类动物中的较常见的珍宝蟹和波士顿龙虾进行大量的关节解剖实验，并对珍宝蟹及波士顿龙虾前足多个关节进行了解剖并提取出的关节结构如下图所示：
图 | 波士顿龙虾及珍宝蟹关节解剖图（来源：西安交大）
实验结果显示，具有共轭面及柔性组织连接的关节模型普遍存在于珍宝蟹及波士顿龙虾四肢关节中，这进一步验证了该关节模型在节肢动物中的普遍性。
由于生物关节中存在大量组织液充当润滑剂，同时甲壳类动物有蜕皮 / 壳现象，关节共轭面的磨损问题可以得到很好的解决。
为了使该关节模型同样适用于工业，徐光华团队提出了一种优化的节肢动物关节模型。具体来说，该模型由一对具有对称性的反向共轭面组成，共轭面的相对运动使输出端产生特定的运动轨迹。研究中采用双簧片结构连接共轭面，使共轭面的相对运动为纯滚动，有效地减小了相对摩擦，同时保证了运动的精确度。双侧采用拉伸弹簧连接共轭面，为一对共轭面的相对滚动提供足够的接触力，同时在关节运动中充当拮抗力。
图 | 优化的仿生关节模型（来源：西安交大）
该仿生关节模型通过改变对称共轭面的形状，从而在输出端生成多样的输出轨迹。在外骨骼研究中，现有的指端驱动机构如多连杆机构，通过对连杆的机构综合实现末端的轨迹拟合，虽然多连杆机构在轨迹拟合上可以达到较高精度，但由于连杆数量随着拟合点的增加而增加，最终会造成其连杆数量过大，机构变复杂，驱动力传递效率大大降低。
而该团队提出的反向共轭面的关节模型，通过对共轭面的设计，使输出端精确拟合多特征点轨迹，结构得到简化，传动效果更加高效，拟合也更精确。
图 | 多连杆外骨骼机构（左）与仿生关节外骨骼（右）对比（来源：IEEE Access）
仿生关节外骨骼三大优势：轻量化、运动拟合效果好、节能
据《2018 中国卫生健康统计提要》显示，中国每年死于脑卒中的患者高达 196 万，幸存者中，留有不同程度的后遗症与永久性残疾的患者高达 70 %。而穿戴式外骨骼机器人，有利于帮助患者恢复正常的肢体运动，大大提高其愈后的生活质量，同时还可减轻护理人员的工作量，在一定程度上，缓解我国护理人员紧缺的状况。
截至目前，现有的手部外骨骼关节机构大致包括三大类：一、全柔性关节，定轴转动关节以及连杆机构。定轴转动关节外骨骼结构简单，广泛应用于人体大关节的设计如膝关节、肘关节等，但由于单一的定轴转动并不能满足人体关节的运动复杂性，无法较好地与人体运动相适配；二、全柔性手部外骨骼，结构紧凑，质量轻，与人手有较好的适配性，但是这种外骨骼通常不能提供较大且精确的驱动力矩；三、连杆机构，可以拟合人手的特定运动轨迹，但是连杆数量随着拟合点的增加而增加，导致具有良好拟合效果的连杆机构外骨骼体积大，连杆数量多，不利于患者佩戴使用。
“与同类产品相比，我们设计的外骨骼具有三大优势，第一点就是它的整体结构简单 —— 具有轻量化、功能结构一体化的特点；第二点是这种外骨骼的仿生度更高，人体运动特性拟合效果更好，也就是人在穿戴后不会形成运动干涉，尤其是在关节处；第三点是更加节能，传动效率更高。” 徐光华表示。
图 | 应用仿生关节设计的手部康复外骨骼（来源：西安交大）
除了可穿戴式外骨骼康复机器人领域，该关节模型还在工业领域具有实用性和推广性。
“从产业化的角度来说，我认为此次研发的外骨骼的应用前景十分广阔。举例来说，目前我国在康复领域，特别是手功能康复这个领域，与国际同领域相比仍存在很大的差距。就康复到相同水平的比例而言，我国患者的康复率大约只有 30%，而美国的恢复率可能是 50%~60%，也就说，依然还有 20%~30% 的差距亟待我们追赶。另外，一方面是近年来社会老龄化的趋势愈加明显，并很快会给中国带来前所未有的新挑战；另一方面由于交通等意外事故造成截瘫的患者数量还在持续增加，这些现状意味着外骨骼技术‘大有用武之地’。” 徐光华解释道。
图 | 徐光华
据介绍，徐光华在西安交通大学机械制造系相继攻读完本科、硕士、博士学位后，选择留校任教，之后一路从讲师、副教授、教授再到副院长，如今，他还是西安交通大学高端装备研究院医工交叉研究所的学术带头人。
据悉，该研究所以智能检测与脑机交互研究所为依托，于 2018 年 4 月正式成立。研究所的研究方向为数字诊疗和智能诊断为核心的脑机交互与康复交叉学，主要包括脑机接口与调控、人机交互与虚拟现实、智能康复装备、人工智能与云诊断等。
徐光华表示，其研究经历以 2000 年为分界线，在 2000 年以前，主要从事的是大型设备的机械故障诊断，如火电机组、轧钢机等；而在 2000 年之后，开始转化研究对象，将信号处理、人工智能等技术应用于研究生物以及康复领域，转向神经功能、脑机接口等。
他认为，从工业领域到生物领域，看似跨度很大，其实背后运用的核心技术是共通的，而且学科的差异性与交叉性特点，会赋予研究人员全新的视角，从而更容易做出融合与创新。
据了解，他们团队已经在仿生外骨骼关节这项研究上总共投入了 3、4 年时间。
“当然，从科研的角度来说，一项研究永远有继续深化的必要与空间，” 徐光华说道，“接下来，我们将进展到功能的研究、材料的优化，推动该技术在康复领域中的实际应用，以及最重要的方面 —— 将其与脑机接口、肌电解码、无线通讯等技术有机地它整合到一起，从而让假肢真正听从内心真实想法，更加灵活地执行相关动作。”
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