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基于磁流變技術(shù)的手部外骨骼系統(tǒng)。中國(guó)科大供圖有這樣一雙“手套”，戴上它，讓你秒變大力士，雙手可以掀起200多公斤的石板，“吊單杠”時(shí)間翻倍，提重物行走疲勞感大大減輕……這款“黑科技”機(jī)械手套由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）特任教授孫帥帥課題組與合作者聯(lián)合研發(fā)，是一種基于磁流變技術(shù)的手部外骨骼系統(tǒng)，能夠極大增強(qiáng)人體手部抓握力與抓握耐力，有望用于地震救援、物流搬運(yùn)、工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)景。近期，相關(guān)研究成果發(fā)表于《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》。小功耗，大力量靈活的雙手在日常生活中起到至關(guān)重要的作用。然而，在救援、搬運(yùn)等應(yīng)用場(chǎng)景中，雙手不僅要足夠靈活，還需要足夠有力，以支撐長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)載的工作。幾十年來，隨著機(jī)器人技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，研究人員有望研發(fā)出像“鋼鐵俠”機(jī)甲一樣的可穿戴外骨骼，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和致動(dòng)器共同作用給人手助力，從而增強(qiáng)人手功能表現(xiàn)，大幅提升人類極限。其中，手部外骨骼是研究熱點(diǎn)之一?！皩?shí)際上，目前學(xué)術(shù)界與企業(yè)界已出現(xiàn)多種手部外骨骼，主要用于輔助中風(fēng)、偏癱患者康復(fù)。它們往往基于電機(jī)、液壓致動(dòng)，又或采用氣動(dòng)技術(shù)。”孫帥帥介紹，這些致動(dòng)器普遍存在輸出力小、體積和重量大等問題，難以解決大幅增強(qiáng)手部抓握力和抓握耐力的難題。因此，面對(duì)大負(fù)載場(chǎng)景，手部外骨骼的關(guān)鍵是研發(fā)一種體積小、輕量便攜，但輸出力大、背驅(qū)能力好的致動(dòng)器。孫帥帥團(tuán)隊(duì)利用磁流變智能材料模量可調(diào)的特性，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了基于磁流變軸承和滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的被動(dòng)致動(dòng)器，在僅需5瓦功耗條件下，實(shí)現(xiàn)了最高1046牛的大輸出力，力-功率比相較其他方案提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，在同樣輸出力下節(jié)省了97.7%的能量消耗?！耙簿褪钦f，我們用很小的功耗得到了很大的力。”孫帥帥解釋道，這意味著磁流變手部外骨骼的續(xù)航時(shí)間相較于普通外骨骼系統(tǒng)得到大幅提升。“軟硬”可控在中國(guó)科大人形機(jī)器人研究院實(shí)驗(yàn)室，記者見到了這款產(chǎn)品。別看它體積小，背后卻暗含著一個(gè)系統(tǒng)工程。論文第一作者、中國(guó)科大博士生麥賢龍介紹，“這款手部外骨骼系統(tǒng)主要分為外骨骼、磁流變致動(dòng)器、指尖力傳感器和控制背包幾個(gè)部分。它的工作原理是將外界的負(fù)載轉(zhuǎn)移至外骨骼，通過調(diào)節(jié)磁流變致動(dòng)器的輸出力，在大負(fù)載時(shí)使外骨骼具有大承載能力，即變‘硬’，而在不需要助力時(shí)，手套會(huì)變‘軟’，幾乎不影響手指的靈活運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)還可以通過飛輪儲(chǔ)能，在不需要任何外部動(dòng)力源的情況下，增強(qiáng)穿戴者的瞬時(shí)抓握力?！边@款手套“軟硬”可控的奧秘，在于磁流變致動(dòng)器中使用的磁流變智能材料?！按帕髯冎悄懿牧系男阅茉诖艌?chǎng)作用下會(huì)發(fā)生顯著變化。在沒有磁場(chǎng)的情況下，這種材料像脂一樣具有較好的流動(dòng)性；加了磁場(chǎng)后，材料會(huì)變成半固體?！睂O帥帥一邊展示，一邊向記者解釋，他們基于這種特性，將其應(yīng)用于手部外骨骼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了手套的“軟硬”可控。疲勞減輕，握力增加為了驗(yàn)證手套性能，研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間提拉重物的實(shí)驗(yàn)。通過測(cè)量受試者戴與不戴手套的前臂肌電信號(hào)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，戴手套的表面肌電信號(hào)顯著降低，表明肌肉收縮力減弱，疲勞程度減輕。此外，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了“吊單杠”實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果顯示，戴手套的受試者堅(jiān)持時(shí)間增加了一倍。在握力增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中，受試者分別用和不用手套進(jìn)行快速抓握。結(jié)果顯示，戴手套的平均握力增加85.8牛，比不戴時(shí)高出41.8%。此外，在地震救援中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，很多設(shè)備難以進(jìn)場(chǎng)，多依靠救援人員徒手清理重物，因此研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了地震救援模擬應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。在營(yíng)救被壓人員和運(yùn)送傷員的任務(wù)中，受試者指屈肌的肌電信號(hào)幅度均大幅減小，這意味著控制手指抓握的肌肉活動(dòng)度大幅降低。在運(yùn)送傷員任務(wù)中，受試者呼吸率相較無外骨骼手套情況下平均降低了20%，最大運(yùn)送距離提升了110%。除了以上常見應(yīng)用場(chǎng)景，孫帥帥還介紹了遙操作的應(yīng)用場(chǎng)景。“我們可以利用磁流變材料的阻尼特性，設(shè)計(jì)能夠提供力反饋的手部外骨骼和手臂外骨骼，同時(shí)結(jié)合關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)捕捉，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)械臂、機(jī)械手的遙操作，并提供真實(shí)的力反饋，以進(jìn)行深空探測(cè)作業(yè)?！睂O帥帥說。孫帥帥表示，接下來，他們將進(jìn)一步提升手部外骨骼系統(tǒng)功能?！氨热?，加入人體意圖識(shí)別功能，更精準(zhǔn)地根據(jù)穿戴者意圖調(diào)整外骨骼的輸出；改進(jìn)外骨骼結(jié)構(gòu)，利用復(fù)合材料和3D打印技術(shù)，在減輕重量的同時(shí)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；改進(jìn)人機(jī)交互設(shè)計(jì)，使外骨骼達(dá)到人手運(yùn)動(dòng)的大部分自由度，減少與人手間的滑移與不舒適感。”相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1109/TRO.2025.3588750（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2025-09-08 第3版 綜合）