软体机器人技术在个性化可持续可穿戴设备中的应用综述

本文由Anke van Oosterhout（埃因霍芬理工大学工业设计系）、Matthew A. Robertson（洛桑联邦理工学院可重构机器人实验室及女王大学机械与材料工程系）和Jamie Paik（洛桑联邦理工学院）合作完成，发表于《Nature Reviews Bioengineering》期刊。文章系统综述了软体机器人在可穿戴设备中的集成应用，重点探讨了其在辅助康复、触觉反馈等领域的潜力，并分析了当前技术面临的挑战与未来发展方向。

主要观点

1. 软体执行器的技术分类与特性

软体执行器是可穿戴机器人的核心组件，文章将其分为四类：
- 流体驱动执行器（Fluidic Actuators）：包括气动（Pneumatic）和液压（Hydraulic）两类。气动执行器凭借轻量化、高带宽（如真空驱动型可输出3.7 Nmm/g力密度）和快速响应（如气动踝足外骨骼在0.3秒内达到峰值压力）成为康复设备首选，但依赖外部压力源限制其便携性。液压执行器虽能承受更高负载，但因流体不可压缩性导致系统封闭性要求高，泄漏风险大。
- 电液驱动执行器（Electrohydraulic Actuators）：如液压放大静电（Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic, HASEL）执行器，通过电场调控液体位移实现无绳驱动，力密度可达2 N/g，频率范围10–1,000 Hz，适用于触觉反馈（如指尖触觉网格显示）。但其需高压供电（10 kV），存在安全性挑战。
- 电活性材料（Electroactive Materials）：如介电弹性体（Dielectric Elastomer Actuators, DEA）和离子聚合物-金属复合材料（Ionic Electroactive Polymers, IEAP），前者通过电场诱导形变提供精确触觉反馈（应变率890%/s），后者在低电压（1.5 V）下工作但力输出较低。
- 响应性材料（Responsive Materials）：包括形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）、液晶弹性体（Liquid-Crystal Elastomers, LCE）等。例如，镍钛合金（Ni-Ti）SMA通过相变产生55°弯曲应变，但需持续供电维持形变；LCE可通过3D打印制成人工肌肉纤维，扭矩密度达10.1 mNm/g，但激活温度需降至生物兼容范围（<60°C）。

2. 可穿戴应用场景与案例

• 康复与辅助设备：
  
  • 上肢外骨骼：如聚氯乙烯凝胶驱动髋部外骨骼（94 N输出力，56 ms响应时间）可增强行走能力。
    
  • 踝关节辅助：形状记忆合金驱动设备提供0.1 Nm扭矩，但受限于热激活延迟（0.5 s）。
    
  • 柔性手套：气动执行器帮助抓握（如Origami腕托扭矩0.76 Nm），临床测试显示可改善残疾患者运动范围。
    
• 触觉反馈技术：
  
  • 电活性聚合物（如DEA）和HASEL执行器可模拟纹理摩擦感（频率1–500 Hz），但需解决高压供电问题。
    
  • 多模态触觉系统（如结合气动驱动与液体刺激）能复现冷热、刺痛等复杂感觉，但集成度待提升。
    

3. 可持续性与个性化设计的挑战

• 能源效率：相变材料（Phase Change Actuators, PCA）通过液-气相变产生200 N力，但响应慢（30秒冷却）；自供电技术（如摩擦纳米发电机）尚处实验室阶段。
  
• 材料耐久性：自修复介电弹性体（Self-healing DEA）可修复电极断裂，但循环寿命不足；生物可降解材料（如明胶基气动执行器）适用于短期使用。
  
• 数据驱动优化：机器学习可实时适配用户运动模式（如分析步态数据优化假肢控制），但需解决隐私与伦理问题。
  

4. 未来展望

• 技术融合：将刺激响应材料与微型化压力系统结合，开发无绳高带宽执行器。
  
• 临床转化：扩大用户评估规模，验证长期穿戴安全性与疗效（如脊髓损伤康复）。
  
• 环境友好：推广可回收设计（如纤维增强可拆卸执行器模块）。
  

论文价值与意义

本文系统梳理了软体机器人在可穿戴领域的技术路线，指出其通过仿生设计与柔性材料突破传统刚性机器人的局限性。科学价值在于提出“机械编程”（Mechanically Programmed）执行器设计框架，为多学科交叉（材料科学、生物力学、人工智能）提供理论支撑；应用价值体现在推动个性化医疗设备（如定制化康复外骨骼）和沉浸式人机交互（如虚拟现实触觉手套）的产业化进程。

亮点总结

• 技术全面性：对比四类执行器的力密度、响应速度等参数（如气动执行器22 N/g vs. HASEL 2 N/g），为应用选型提供依据。
  
• 创新案例：如真空驱动气动模块（VSPA）通过堆叠实现脊柱仿生弯曲，突破传统线性驱动限制。
  
• 前瞻议题：提出“可持续软机器人”概念，涵盖自修复、生物降解与能源回收技术。