香港中文大学Science子刊：研发“仿生肌腱”：让机器人肌肉拥有“触觉”与“自调节”能力

在过去的几十年里，模仿骨骼肌收缩运动的人工肌肉取得了长足发展，凭借其高输出力重比、固有柔顺性以及与人体生理结构的兼容性，在可穿戴机器人领域展现出巨大潜力。然而，一个长期存在的缺陷严重制约了其应用：绝大多数人工肌肉缺乏力觉感知能力，无法实现自我力调节。这类似于骨骼肌中的腱梭（Golgi tendon organ）所扮演的角色——负责感知肌肉输出力并参与力调节——在人工肌肉系统中长期缺失。因此，现有的基于人工肌肉的可穿戴设备往往只能依赖经验性的开环控制，无法在力控环境中精确维持所需的辅助力。特别是在下肢辅助等场景中，如何为人工肌肉集成一种既能有效传递力、又能精确感知力，并且具备自调节能力的通用装置，成为该领域亟待解决的关键挑战。

受骨骼肌中腱梭的启发，香港中文大学Raymond Kai-Yu TONG教授和訾云龙教授合作提出了一种名为“ExoTendon”的仿生人工肌腱，作为人工肌肉的力传感与调节通用解决方案。该装置基于摩擦起电和静电感应原理，具有高线性度、低迟滞性、可调的灵敏度和量程，能够作为人工肌肉的“肌腱”使用。ExoTendon能有效调节人工肌肉的预紧力，使相同输入下产生不同的辅助力。通过优化预紧力水平和闭环力控制，基于人工肌肉的外骨骼服实现了自我力调节，在低输入条件下显著改善了中风患者的行走平衡与速度，展示了其在可穿戴机器人和康复医学领域的应用前景。相关论文以“Filament sensing tension: A bionic artificial tendon for self–force-regulated artificial muscle–driven wearable robotics”为题，发表在Science Advances上。

仿生设计与工作机制：从腱梭到ExoTendon filament

受人体骨骼肌中腱梭的启发，研究团队开发了ExoTendon filament（外肌腱丝）。在人体中，腱梭位于骨骼肌与其肌腱之间，将两者串联起来。腱梭由缠绕在胶原纤维上的1b感觉轴突组成，当胶原纤维受到张力时，轴突受到压迫产生动作电位，从而通知中枢神经系统感知外力变化。仿照这一原理，ExoTendon filament采用双丝或三丝配置结构，可直接与丝状人工肌肉串联，实现张力感知与调节。双丝配置由一根正电极丝和一根负电极丝（具有不同介电涂层）缠绕而成；三丝配置则将正极丝移至外层，中心为纯介电芯丝，通过更换芯材可实现不同场景所需的量程与灵敏度。其工作机制基于摩擦起电与静电感应：当丝线接触时发生电荷转移，施加拉力会使螺旋负丝的中心直径减小，增大丝间接触面积，从而降低电势差。通过测量这一电势差，ExoTendon filament即可有效感知所受力的大小。数百个绕组的累积电荷效应使其在微小力下也能产生显著电压输出。

图1. ExoTendon丝的仿生设计概念。 （A）如何获取丝线和织物上的张力？人体骨骼肌中的高尔基腱器官就是答案。高尔基腱器官是与中枢神经系统交互的张力本体感受器，能够检测肌肉负荷。在结构上，高尔基腱器官位于骨骼肌及其肌腱之间，将两者串联连接。类似地，ExoTendon丝可以与人工肌肉系统集成，模仿高尔基腱器官的张力感知能力。MCU，微控制单元。 （B）高尔基腱器官由与胶原纤维交织的1b感觉轴突组成。当胶原纤维受到张力时，轴突受到压缩力，产生动作电位，指示肌肉张力的变化。类似地，ExoTendon丝可以采用双丝配置（蓝色），将负极丝缠绕在正极丝周围，或采用三丝配置（灰色），将负极丝和正极丝缠绕在芯丝周围。在拉伸载荷下，ExoTendon丝螺旋丝的中心直径收缩，导致反映所施加张力的整体输出电压下降。 （C）高尔基腱器官的1b轴突表现出准确检测肌肉张力变化的能力。ExoTendon丝的归一化模型、有限元模型和实验结果显示出与输入力的线性输出关系。

性能评估：线性响应、可调范围与高鲁棒性

研究团队对ExoTendon filament的传感性能进行了系统的定量评估。实验表明，输入张力与输出电压之间呈现优异的线性关系，这一结果与理论模型和有限元模拟高度吻合。有趣的是，在相同张力下，ExoTendon filament的输出电压随其原始长度的增加而线性增加，显示出累积效应。虽然单根PTFE-0.4Nylon-silver配置的ExoTendon filament线性测试范围仅为10 N，但通过将多根丝线并联，可将量程扩展至数百牛顿，同时灵敏度保持不变。通过增加传感器长度，系统甚至可分辨低至0.02 N的力。在动态响应方面，ExoTendon filament在8 Hz以内的振动频率下输出保持稳定，即使在更高频率下也能满足应用需求。经过超过6000次循环测试，其输出未见衰减；60,000次循环后，输出范围衰减不足5%。为了全面评估性能，研究定义了五个关键指标：量程、线性度、灵敏度、迟滞性和鲁棒性。研究发现，螺距对灵敏度有显著影响，2.5 mm螺距在较高灵敏度和制造效率之间取得了良好平衡。四种不同配置的ExoTendon filament均表现出高线性度（最高达0.9982）和低迟滞性（最低至4.6%），同时量程和灵敏度各异。特别值得一提的是，其迟滞性独立于芯丝性质，且传感器对径向压力的响应远低于轴向张力，最高鲁棒性指标达到44.2045。此外，ExoTendon filament还展现出良好的耐久性、耐湿性和耐温性，滑轮引导对其输出影响小于3%，充分证明了其在实际应用场景中的可靠性。

图 2. ExoTendon 丝的原理、制造与表征。 （A）ExoTendon 丝的工作原理。 （B）ExoTendon 丝可使用高速绕线机制造。 （C）50米长ExoTendon 丝的快速制造结果。 （D）在相同张力下，ExoTendon 丝的输出随其原始长度增加而增加。 （E）ExoTendon 丝的测试量程随并联数量成倍增加，而灵敏度保持不变。 （F）当测试频率高达 8 Hz 时，ExoTendon 丝的输出保持不变。 （G）ExoTendon 丝的输出先随节距增加而增加，随后随节距增加而减少。 （H）四种配置的ExoTendon 丝表现出不同的灵敏度、线性范围和低迟滞性。 （I）这四种配置之间性能比较的蜘蛛图。

与人工肌肉的集成：分布式力传感与“超肌腱”

ExoTendon filament能够直接与丝状人工肌肉串联集成。然而，当部署成束丝状或平面型人工肌肉以模拟骨骼肌行为时，多通道测量和分布式张力传感成为挑战。得益于ExoTendon filament沿长度方向均匀的灵敏度，单根ExoTendon可多次折叠，其总输出即为各段受力之和，而与张力分布无关。研究团队将ExoMuscle（一种平面人工肌肉）与ExoTendon filament并联缝制在织物上，使ExoTendon充当腱梭的角色。通过刺绣机将ExoTendon filament以平行排列的方式集成到织物基底上，确保了每段丝线保持笔直且长度均匀。举重测试表明，即使力集中在中间而两侧较低，ExoTendon的输出与顶部的力传感器测量值相比，均方根误差仅为1.9%。更令人兴奋的是，受骨骼肌羽状结构的启发，双ExoTendon以不同角度排列，可作为“超肌腱”同时测量力的大小和方向，而普通肌腱只能感知力的大小。

图3. ExoTendon与平面人工肌肉的集成。 （A）平面人工肌肉——ExoMuscle的仿生结构旨在模拟外部穿戴时骨骼肌的行为。 （B）ExoTendon丝与ExoMuscle平行缝制在织物上，作为高尔基腱器官等效的肌腱。 （C）制造方法——使用刺绣机将ExoTendon丝集成到织物上。 （D）分布张力感知验证。 （E-F）举重测试验证ExoTendon感知张力总和的能力。 （G）骨骼肌的羽状架构。 （H）ExoMuscle通过平面设计复制羽状能力。 （I）双ExoTendon作为超肌腱，同时感知力的大小和方向。

应用验证：助力中风患者髋关节外骨骼服

中风幸存者常伴有下肢感觉运动障碍，其中髋屈肌无力是典型表现之一。与采用应变片的电机驱动设备不同，人工肌肉驱动的设备缺乏有效的力调节能力，用户只能以经验方式穿戴，控制为开环模式，无法维持所需力。为此，研究团队将ExoTendon与ExoMuscle串联，设计了一款紧凑型外骨骼服，旨在为中风患者提供步行辅助。当外骨骼服加压时，辅助髋关节屈曲。由于人工肌肉通过弹性绑带与身体连接，且皮肤和肌肉自身也具有弹性模量，人工肌肉的收缩长度或应变并不能直接反映施加在大腿上的辅助力。而串联了ExoTendon后，自我力调节或有效的闭环控制成为可能。关键问题在于，人工肌肉具有固定的收缩比。预紧力过低会导致力响应延迟，甚至无法达到所需辅助力；预紧力过高则会限制髋关节伸展。实验表明，在相同输入压力下，预紧力越高，对身体的辅助力越大，从而为中风患者带来更大的屈曲角度。但过高的预紧力也会增加伸展时的阻力。因此，优化预紧力至关重要。通过ExoTendon提供的力反馈，可在穿戴时调节最佳预紧力。闭环力控制实验显示，实际辅助力逐渐收敛至目标值，而所需的输入压力在50 kPa范围内波动，证明了开环气压控制无法可靠地确定对身体的真实作用效果。最终，穿戴预紧力优化的髋外骨骼服后，三名受试者的患侧髋关节活动范围平均增加了5°，步行速度提高了0.1 m/s以上。

图4. ExoTendon调节人工肌肉驱动的髋部外骨骼的辅助力。 （A）传统方法应用人工肌肉时不评估预紧力，并使用开环控制，不了解实际辅助力。 （B）ExoTendon与ExoMuscle串联连接，当ExoMuscle收缩时，通过ExoTendon反馈力辅助髋关节屈曲。 （C）基于ExoTendon，首先在穿戴人工肌肉时可以确定优化的预紧力；然后使用ExoTendon作为力调节介质进行闭环力控制，可以稳定可靠地实现所需的辅助力。 （D）当人工肌肉穿戴在身体上时，集总模型是人工肌肉通过未知弹性模量的弹性部分连接到关节。 （E）在相同输入压力下，最大辅助力随预紧力水平增加而增加。 （F）最大伸展角随预紧力水平增加而减小。 （G）辅助力控制过程。 （H）在优化预紧力水平和调节辅助力下，患侧髋关节活动范围增加。

总结与展望

本研究报道了一种用于自我力调节的人工肌肉驱动可穿戴机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，通过摩擦电丝作为张力传感器，具有高线性度、低迟滞性以及对径向压力和弯曲的高鲁棒性。通过改变芯材和螺距，可以调节其量程和灵敏度。与传统的间接张力传感方法相比，ExoTendon具有柔软、顺应、紧凑以及可在集中和分布式张力传感场景中无缝集成的优势。通过刺绣机将其以平行排列的方式集成到织物上，ExoTendon能够感知总力而无论其分布如何。两个ExoTendon还可作为人工肌肉的“超肌腱”，不仅感知力的大小，还能感知力的方向。ExoTendon解决了人工肌肉在力调节方面的不足，增强了人工肌肉中感知与驱动的融合。此外，该方法为下一代具有自我力调节能力的可穿戴机器人提供了实现路径，将在辅助和康复机器人等领域发挥重要作用。