Science Robotics发布韩国团队打造双侧背部伸肌外骨骼技术方案

在复杂的工业环境中，重复性抓取对于工人的身体健康构成极大的威胁，尤其对于脊柱和背部肌肉的损伤更是不可小视。传统可穿戴外骨骼装置在一定程度上能够减轻这种负担，但在非对称抓举过程中的多维运动支持方面存在明显不足。

近日，由韩国科研团队开发的一种主动式双侧背部伸肌外骨骼套装（BBEX），为这一问题的解决提供了创新方案。该研究所有测试均已经过首尔国立大学机构审查委员会批准，论文结果已发表在《Science Robotics》8月期刊当中。

▍解析BBEX技术创新原理

主动式双侧背部伸肌外骨骼套装（BBEX）作为一款创新的可穿戴机器人装置，其核心在于其独特的技术创新与设计原理。BBEX通过紧密模拟人体脊柱和背部伸肌的生物力学特性，实现了多维力量辅助和全面的脊柱安全性验证。

( A ) SES 机构的配置。( B ) SES 机构与脊柱一样具有多自由度，其双侧执行器可辅助 (i) 屈伸、(ii) 侧弯和 (iii) 类似于背部伸肌的轴向旋转运动。

BBEX的核心技术创新之一在于其多自由度架构，这一设计灵感直接来源于人体脊柱的复杂运动特性。人体脊柱由多个椎骨组成，每个椎骨都具有屈伸、侧弯和轴向旋转的自由度。BBEX通过精心设计的椎骨模块和线性致动器，紧密模拟了人体脊柱的这些自由度。这种设计不仅使得BBEX能够适应各种复杂的背部运动，还为佩戴者提供了全面的力量辅助。

在设计原理层面，BBEX的椎骨模块和线性致动器的排列方式均与人体脊柱和背部伸肌的功能属性相一致。这种紧密的生物力学模拟使得BBEX能够感知佩戴者的实时姿势，并根据需要调整辅助力和辅助扭矩。通过多维力量辅助，BBEX明显减轻背部伸肌的负担，降低了因重复举重任务导致的肌肉疲劳和脊柱损伤风险。

( A ) 概览。( B ) 分解图。蓝色部件在 (i) 上部、(ii) 中部和 (iii) 下部模块中独立充当球窝关节。

BBEX采用的四轨扭转弹性旋转轨道执行器（4R-TERRA）是其另一项重要技术创新。这种改进的柔性线性致动器在伸长时施加的力会增大，与人体肌肉的特性相反。然而，正是这种特性使得4R-TERRA在工人处于屈曲姿势、需要较大辅助力时，能够更有效地提供力量支持。这一设计不仅提高了BBEX的辅助效率，还确保了其在不同举重任务中的稳定性和可靠性。

研究人员表示，BBEX的设计原理中，高度生物力学对齐是非常关键的要素，也是区别于传统可穿戴外骨骼装置主要特点之一。力学对齐涉及可拉伸弹性体、导向轴承和柔性柱的背部接口部件，BBEX能够在各种背部运动过程中保持与脊柱的动态对齐。动态对齐不仅能够提高辅助力的传递效率，还一定程度上确保了佩戴者的舒适度和安全性。

此外，BBEX采用的基于纺织品的锚定机制进一步强化了这一设计理念。通过选择变形最小的身体部位进行锚定，BBEX利用鲍登线和绑带等高刚度材料，将辅助力以法向力形式传递到身体的关键部位。这种锚定机制不仅提高了力传递的效率，还确保了佩戴者在长时间使用过程中仍能保持舒适感受。

▍实验验证与结果分析

为了评估BBEX的功能性和安全性，研究团队受首尔国立大学机构审查委员会批准，招募男性参与者进行实验，实验包括对称和不对称两种举重任务，每项任务均在参与者佩戴BBEX和不佩戴BBEX的条件下进行，以便比较两者之间的差异。

实验中，11名无腰部损伤史的男性参与者被要求执行对称和不对称的举重任务。每项任务中，参与者需要重复举起和放下5.5公斤的重物，共进行30次。实验条件分为佩戴BBEX和不佩戴BBEX两种，以便能够直接观测对比效果。

通过心率监测发现，在两种举重任务中，佩戴BBEX的参与者心率增幅均明显低于未佩戴者。实验数据显示，在对称举重任务中，佩戴BBEX使心率增幅降低了18.90%；而在不对称举重任务中，这一降低幅度更是达到了28.40%。这表明BBEX能够减轻参与者在举重过程中的生理负担。

sEMG数据显示，BBEX能够降低竖脊肌（包括上竖脊肌和下竖脊肌）的肌肉疲劳。在对称举重任务中，佩戴BBEX后，上竖脊肌和下竖脊肌的肌肉疲劳分别减轻了20.60%和17.69%；而在非对称举重任务中，这一减轻幅度更大，分别达到了52.87%和40.78%。这证明BBEX在多维力量辅助方面表现出色，尤其是在应对复杂的非对称动作时。

利用三维运动捕捉系统，研究团队对脊柱和髋关节的运动学进行了深入分析。结果显示，佩戴BBEX后，脊柱的屈伸和侧弯角度在不同阶段均有所变化，特别是在非对称举重任务中变化更为明显。然而，这些变化并未对参与者产生负面影响，反而有助于更好地利用BBEX的辅助力量。

( A ) 姿势错误，( B ) 实际辅助力和期望辅助力，以及 ( C ) 对称和非对称举重任务期间的实际辅助扭矩和期望辅助扭矩。

为了评估BBEX对脊柱关节负荷的影响，研究团队采用了生物力学建模方法估算关节压缩力。结果表明，在两种举重任务中，佩戴BBEX后，参与者明显降低了L1/L2至L5/S1等关键脊柱关节的峰值压缩力。这一发现进一步验证了BBEX在提高脊柱安全性方面的有效性。

▍结语与未来：

BBEX作为一种主动式双侧背部伸肌外骨骼套装，其技术贡献在于成功融合了人体生物力学原理与现代机器人技术，实现了多维力量辅助和全面的脊柱安全保护。通过多自由度架构和串联线性致动器的设计，BBEX能够紧密模拟人体脊柱和背部伸肌的运动特性，为佩戴者提供精确且有效的力量支持。此外，其高度生物力学对齐和基于纺织品的锚定机制确保了辅助力的高效传递和佩戴者的舒适度，从而在实验中展现出了明显的减负效果。

在应用场景方面，BBEX为工业环境中从事重复性举起任务的工人提供了全新的保护方案。通过减少背部肌肉的疲劳和脊柱关节的负荷，BBEX有望显著降低工作场所中的腰椎损伤风险，提高工人的工作效率和整体健康水平。尤其是目前亚洲地区，人口老龄化问题的加剧，劳动力市场对高效、安全的辅助设备需求日益增长，BBEX的落地，能够一定程度上缓解工人劳动力短缺和工作效率低下的问题，同时确保工人的身体免受高强度负荷带来的直接损伤，对于企业和员工来讲都是双赢。

目前，BBEX的研究仍在持续进行，研究人员表示，未来可以进一步优化设备的机械结构和控制算法，提高其在复杂工作环境中的适应性和稳定性。此外BBEX也需要进行较长时间的人体试验，以全面评估BBEX对佩戴者身体长期健康的影响，并收集更多数据以完善产品的安全性和有效性验证。研究人员表示，除工厂搬运场景之外。BBEX的应用领域也可以进一步拓展至军事、救援、康复训练等多个方面，通过定制化设计和多功能开发满足不同用户的多样化需求。