机器人“肌肉”会调力道！这款仿生外骨骼肌腱登《Science》子刊

你知道吗？我们身上的肌肉，不光会收缩，还能感知自己用了多大劲，靠的不止是大脑直接下令，而是藏在肌肉和肌腱交界处的高尔基腱器官。

但对人造肌肉来说，过去几十年一直有个尴尬。它只会使蛮力。收缩、拉伸、辅助行走，全靠工程师开环控制，凭感觉调气压。到底给人体加了多少力？不知道。预张力紧不紧？靠手摸。

现在，这个困局被一项登上《Science Advances》的成果打破了。来自香港中文大学及香港科技大学的研究团队，从人体肌腱中获得灵感，造出了一种名为 ExoTendon 的仿生外骨骼肌腱，让人工肌肉驱动的外骨骼第一次拥有了自主力调节的能力，显著改善了中风患者在低输入下的行走平衡和速度。

01.

一个一直未被解决的老问题

过去几十年，人工肌肉发展飞快。从早期的McKibben气动肌肉，到各种丝状、平面状、折纸式人工肌肉，它们轻便、柔顺、力量大，在康复外骨骼和假肢领域被寄予厚望。

但问题来了，这些人工肌肉要么只集成了收缩长度传感器，要么干脆没有任何力感知能力。在实验室里还行，一穿到人身上就抓瞎。

尤其是用于中风患者下肢辅助时，人工肌肉通过弹性绑带固定在腿上。皮肤、肌肉、绑带都是弹性体，整个系统像个“串联弹簧”。光知道肌肉缩了多少，根本推导不出它到底对人体施加了多大的辅助力。

预张力松了，辅助力迟迟上不来；预张力紧了，腿伸不直，反而拖累患者行走。传统的做法是凭经验穿戴、开环控制，效果全看运气。

02.

一根丝线，模仿了人体肌腱的“张力哨兵”

问题怎么解决？ExoTendon的灵感，直接来源于人体高尔基腱器官的工作原理。高尔基腱器官串联在肌肉和肌腱之间，当肌肉发力拉伸胶原纤维时，会挤压其中的感觉神经末梢，产生电信号报告张力大小。

研究团队用摩擦起电原理，造出了功能相似的“丝状传感器”。它由正极丝和负极丝缠绕而成，芯部是一根介电材料。当受到拉力时，螺旋状的负极丝收紧，芯部直径变小，丝与丝之间的接触面积增加，导致电势差下降。

这个变化被实时检测出来，就能精确反映拉力的大小。

ExoTendon 丝的仿生设计概念

这根丝输入力与输出电压呈线性关系，线性度最高可达0.9982，滞后最低仅4.6%。通过改变芯材弹性模量和缠绕螺距，灵敏度与量程还可以灵活调节。单根量程虽只有10N级别，但多根并联后能轻松扩展到数百牛顿，完全够用在人工肌肉上。

更妙的是它的抗干扰能力。横向按压、滑轮导向、剪切力对它影响极小。即便湿度达到90%，温度升高20℃，输出依然稳定。一根50米长的丝线用工业编织机就能快速制造，涂覆聚氨酯封装后坚固耐用。

03.

一根不够？那就缝一片“智能肌腱布”

如何把自控力能力融入人工肌肉？要获得更高的输出力，单根的丝状人工肌肉需要将传感器成束部署，实际应用时由于对多通道传感的需求并不现实，而平面型人工肌肉（比如ExoMuscle）覆盖面积大，张力分布不均匀。

如果每隔一段就装一个传感器，信号通道会多到无法处理。于是研究团队找到了一个极聪明的办法。

他们把ExoTendon丝线用刺绣机平行缝在织物基底上，做成一片“肌腱布”。由于每根丝的性能一致且线性输出，无论张力是均匀分布还是集中在某一侧，这片布输出的电压信号只取决于通过它的总力大小，不受力分布方式的影响。

研究团队做了实验验证。他们先用一个双模块ExoMuscle串联这片“肌腱布”，将10公斤重物悬挂在中间绑带上，此时力集中在中间，结果ExoTendon的输出与商用测力传感器相比，均方根误差仅为1.9%。另一组分布力测试同样证实，即使重物偏向一侧导致各根丝受力不均，整体输出依然只与总力挂钩，不受力分布方式的干扰。

ExoTendon 可作为不同类型人工肌肉的力感应肌腱

04.

中风患者的行走革命

这项研究最硬核的验证，是一款髋关节外骨骼。

研究团队把ExoTendon与ExoMuscle串联，做成一款髋关节屈曲辅助外骨骼，找来了三位中风患者进行测试。

中风患者常伴随髋屈肌无力，行走困难。传统气动肌肉外骨骼的问题是，佩戴时预张力不确定，运行时也不知道实际辅助力多少，只能开环控制，输入气压和输出助力之间没有准谱。

ExoTendon的加入改变了游戏规则。

第一步，优化预张力。在相同气压输入下，预张力越高，最终施加到腿上的辅助力越大。但预张力过大又会阻碍伸腿。借助ExoTendon的实时力反馈，研究人员为每位患者找到了最佳平衡点。

第二步，闭环力控制。基于ExoTendon的反馈，系统用简单的比例积分控制器，就能把实际辅助力收敛到目标值。实验显示，尽管输入气压在50kPa范围内波动，输出助力却能稳定跟踪目标。这说明仅靠气压开环控制是不可靠的，力反馈闭环才是正解。

ExoTendon 调节人工肌肉驱动髋关节外骨骼的辅助力

最终结果令人振奋。在低输入压力下，三位患者的患侧髋关节活动范围平均增加了5°，步行速度每人提升超过0.1米/秒。对于步速通常在0.5-0.8米/秒的中风患者而言，这个提升意味着从“室内挪步”到“社区行走”的质变。

05.

未来与结语

ExoTendon的意义远不止一项传感器技术。它首次为丝状和平面人工肌肉提供了一种通用、可扩展的力感知与力控制方案，打通了人工肌肉从“开环盲动”到“闭环智控”的关键一环。

有了它，未来的软体外骨骼可以像人体一样，根据实时负载自动调节辅助力大小；多根人工肌肉协同工作时，也能通过力反馈实现更复杂的力分配策略。甚至，配合更高级的控制算法，人工肌肉驱动的机器人将拥有真正的本体感觉。

换句话说，无论是康复外骨骼、助力外骨骼，还是未来的假肢，都能知道自己使多大劲才能安全有效地与人交互。

当然，从实验室到产品化还有距离。封装耐久性、信号处理电路的小型化、与不同人工肌肉系统的接口标准化，都是接下来的课题。但无论如何，这根看似普通的丝线，已经为下一代有感觉、会调节的智能可穿戴设备，推开了一扇新的大门。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2709