戴上这种手套，轻松搬动200公斤石板！这就是手部外骨骼系统

轻松举起千吨级物体，随意就能将巨石抛至太空——你有没有被电影中绿巨人这样的超级力量所震撼过？但或许，获取这样的“超能力”并不是梦。在中国科学技术大学人形机器人研究院的实验室里，一双看似普通的黑色机械手套正在改写人类体能的极限。

当实验者戴上它，原本需要多人合力才能搬动的200公斤石板，一个人就能轻松翻起；在单杠上的悬挂时间从不到两分钟延长到近三分钟；连续搬运重物时的肌肉疲劳感大幅降低。这不是科幻电影中的道具，而是中国科学技术大学特任教授孙帅帅课题组与合作者联合研发的，基于磁流变技术的手部外骨骼系统。

这项发表在国际机器人学顶级期刊《IEEE机器人学汇刊》上的研究成果，代表着机器人领域的重大进展。要知道，该期刊每年全球发文量仅约200篇，接收率极低，能够在此发表意味着研究达到了国际领先水平。

控制背包、磁流变制动器以及手部外骨骼共同构成了整个系统

（来源：参考文献[1]）

从实验室到废墟：一个关于力量的故事

地震后的废墟现场，时间就是生命。大型机械设备难以进入狭窄空间，救援人员只能依靠双手清理瓦砾、搬开石板。然而，人类的体力是有限的。长时间的高强度作业不仅效率低下，更可能因疲劳导致二次事故。如何在不依赖外部大型设备的情况下，让救援人员获得超越自身极限的力量，成为了科研工作者思考的问题。

传统的解决方案多采用电机驱动的外骨骼系统。然而，这些系统普遍存在输出力小、体积大、重量大的问题。即使是目前最先进的电机驱动外骨骼，单个手指的辅助力通常只有20牛左右，最大也不过10牛每指（也就是单手力量增加5公斤左右），在几百公斤的石板面前，根本不够看。

孙帅帅团队另辟蹊径，将目光投向了一种特殊的智能材料——磁流变材料。这种材料在20世纪40年代被发现，但直到近年来才在高端装备领域崭露头角。它像是拥有了“变形”能力，可以在液态和固态之间自由切换：没有磁场时，材料中的磁性颗粒随机分布，整体呈现流动性；一旦施加磁场，这些颗粒会沿着磁力线方向排列成链状结构，材料的剪切应力瞬间增大，变成半固体状态。

基于这种特性，研究团队创新地设计了磁流变轴承和滚珠丝杆结构的被动致动器。在仅需5瓦功耗下，系统就能实现最高1046牛的输出力。这个数字意味着什么？一个成年人的体重大约是700牛，1046牛足以支撑一个半成年人的重量！更重要的是，相比传统方案，磁流变系统的“力-功率比”提升了整整一个数量级。

不插电的超能力：人体动能成“秘密能源”

这套外骨骼系统最令人惊叹的设计，是它能够在不需要外部电源的情况下增强握力。这听起来似乎违背了能量守恒定律，但实际上，这是系统巧妙地利用了人体自身的动能。

当使用者快速握拳时，手指的线性运动通过滚珠丝杆转换为螺母和飞轮的旋转运动。这个过程就像给发条玩具上弦，将动能储存在旋转的飞轮中。当需要发力时，储存的旋转能量又通过滚珠丝杆反向转换，产生强大的轴向推力，从而增强握力。整个过程无需任何外部能源，完全依靠人体自身的运动能量。

研究团队通过精密计算，发现在典型的快速握拳动作中（速度约80毫米/秒），系统能够产生约91.7牛的理论增强力。而在实际测试中，6名实验者的平均握力增强到85.8牛，提升幅度为41.8%。考虑到机械传动中不可避免的摩擦损耗，82.2%的能量转换效率其实已经相当可观。

这种设计的巧妙之处在于，它将原本会浪费掉的动能收集起来，在需要的时候释放。就像混合动力汽车的制动能量回收系统一样，每一次握拳动作都不会白费，而是为下一次发力做准备。

磁流变手部外骨骼系统的机械结构分解图

磁流变致动器：提供力量增强的核心部件

电源和传感器控制板：负责能量转换和传感器数据处理

连杆：在致动器和外骨骼之间传递力

外骨骼：包覆手部的框架结构

魔术贴带：将手指固定到外骨骼上，确保同步运动

压力传感器：检测抓握意图，位于食指指尖的背侧和腹侧

（来源：参考文献[1]）

磁流变的魔法：毫秒间完成的软硬“变形”

磁流变材料的响应速度是这套系统成功的关键。从施加磁场到材料变硬，整个过程只需要几毫秒。这种近乎瞬时的响应，让系统能够精准地配合人体动作。

为了让材料既有力又灵活，研究团队在材料配比上下足了功夫：磁性颗粒含量太少，锁定力不够；含量太多，零磁场下的阻力又会影响手指灵活性。通过系统的实验对比他们发现，40%的颗粒质量分数是最优选择。在这个配比下，磁流变轴承在0.5特斯拉磁场强度下能产生足够的锁定力矩，而在零磁场时的阻力仅为12牛，不会明显影响手部活动。

磁路设计也同样精妙：线圈被巧妙地安置在内套筒外侧，恰好位于两个轴承之间。这种布置让磁力线能够集中穿过磁流变轴承，形成闭合磁路。通过COMSOL多物理场仿真，研究团队优化了磁路结构，确保每一分电能都能高效转化为磁场能量，不浪费。

更值得称道的是系统“按需供能”的智能控制策略。通过集成在指尖的压力传感器，系统能够实时检测使用者的抓握意图。当两个传感器同时受压时，判定为抓握动作，系统自动供电提供支撑；当腹侧传感器压力降低时，判定为松手，系统断电并执行消磁程序。如此以来，一块2500毫安时的电池就能支持数小时的连续使用。

磁流变致动器的核心结构和工作原理

其核心是磁流变材料在不同磁场下的状态变化——零磁场时颗粒随机分布可自由旋转，施加磁场后颗粒形成链状结构限制旋转

（来源：参考文献[1]）

实战见真章：多维度性能验证

实验室数据再好，不如实战检验。研究团队设计了一系列贴近实际应用的测试场景。这些测试不仅验证了系统的性能，更揭示了其在真实世界中的巨大潜力。

在持续提重实验中，5名实验者双手各提20公斤重物，保持100秒。通过采集前臂屈指深肌的表面肌电信号，研究人员发现，佩戴外骨骼后，肌电信号幅值平均降低了60%以上——这意味着完成同样的任务，肌肉只用不到一半的力。更重要的是，而未佩戴外骨骼时，肌电信号的中值频率持续下降，这是肌肉疲劳的典型表现；但带了手套的，中值频率保持稳定，不易劳累。

单杠悬挂实验更加直观地展示了系统的效果。实验者的悬挂时间从79秒延长到158秒，整整翻了一倍！按照体能训练的标准，1分钟以下属于“初级”水平，1-2分钟为“高级”，2-3分钟则达到“精英”级别——外骨骼让普通人也能一跃成为“精英”。

当然，最贴近实际应用的还是地震救援模拟。实验设置了两个任务：营救被压人员和转运伤员。在营救任务中，实验者需要搬开压住“伤员”的大型石板。未佩戴外骨骼时，即使用尽全力，石板也纹丝不动；佩戴后，石板被轻松翻起，并且前臂肌电信号降低了70%以上。而在伤员转运任务中，实验者抬着60公斤担架在跑步机上行走。结果显示，佩戴外骨骼后呼吸频率降低20%，心率略有下降，最大运送距离从平均500米提升到1100米。

特别值得一提的是连续作业能力测试。实验者需要连续翻起5块相同重量的石板，模拟灾后清理现场。积分肌电（iEMG）数据显示，佩戴外骨骼后的肌肉总体活动量降低了52%。这不仅意味着当下的工作更轻松，还能够保持更长时间的工作能力，这在争分夺秒的救援现场，就可能是多救了一个人的差距。

磁流变手部外骨骼系统在连续作业中的效果

表面肌电信号（sEMG）：反映肌肉收缩强度，佩戴外骨骼后明显降低

积分肌电信号（iEMG）：反映肌肉总体活动量，佩戴外骨骼后降低52%，表明肌肉疲劳程度大幅减轻

（来源：参考文献[1]）

面向未来：从原型到产品的进化之路

尽管取得了突破性进展，研究团队也清醒地认识到，从实验室原型到实用化产品，还有很长的路要走。

目前，这套系统重量约1.7公斤（单手），其中很大一部分来自飞轮和磁路所需的铁磁材料。未来的优化方向包括采用高性能复合材料减轻结构重量，使用钕铁硼等强磁材料，让手套减重提效。

人机交互的改进同样重要。现有系统主要通过压力传感器判断抓握意图，未来可以加入肌电信号、关节角度等多模态信息，实现更精准的意图识别。并且，研究团队还在探索基于机器学习的控制策略，让系统能够适应不同使用者的操作习惯，更加智能化。

制造工艺的提升也在计划之中。3D打印技术的应用将大大降低生产成本，同时能根据使用者手部尺寸进行定制化设计。模块化设计理念的引入，让飞轮、致动器等部件可以根据不同应用场景灵活配置。

手部外骨骼只是开始，基于同样的磁流变技术，还可以开发肘部、肩部乃至全身的增强装备。这些装备可以相互配合，形成一个协调的增强网络，让使用者获得全方位的能力提升。

科技改变生活：当创新走出象牙塔

这项研究的意义，远不止“搬重物”那么简单。

对老龄化社会来说，轻量化、低功耗的手部外骨骼可以帮助他们轻松提起菜篮、拧开瓶盖，保持独立生活能力；对于长期从事重复性体力劳动的工人来说，外骨骼技术可以分担他们的工作负荷，减少肌肉骨骼疾病的发生。对于残障人士，这项技术更是意义非凡。虽然目前的系统主要面向健康人群的能力增强，但磁流变技术的高精度控制特性，使其非常适合开发康复训练设备——通过提供可调节的阻力和辅助力，帮助患者进行针对性的康复训练。

在应急救援领域，这项技术的应用前景更是尤其广阔。地震、矿难、火灾、洪水，救援人员拥有一套可靠的外骨骼系统，就可能多撑一会、多救一人，就可能就是无数家庭生与死的未来。目前，研究团队已经与相关部门展开合作，推动技术的实用化进程。

正如孙帅帅教授所说：“我们希望这项技术不仅停留在实验室，而是真正走向应用，帮助那些需要帮助的人。”这条道路虽然漫长，但每一步都值得期待。因为在这条路的尽头，是无数等待救援的生命，是千万劳动者的健康，是科技让生活更美好的承诺。

科技的价值在于造福人类。当磁流变材料遇上中国智慧，当基础研究走向实际应用，我们看到的不仅是一双机械手套，更是科技改变生活的生动诠释。

参考文献：

1. Mai, Xianlong, et al. "Non-motorized Hand Exoskeleton for Rescue and Beyond: Substantially Elevating Grip Endurance and Strength."IEEE Transactions on Robotics(2025).

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览