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面向柔性外骨骼机器人的纺织材料研究现状印染（2024 No.1）面向柔性外骨骼机器人的纺织材料研究现状顾娅，傅宏俊()天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387摘要：基于纺织材料的柔性外骨骼机器人有效解决了刚性外骨骼机器人顺应性差、笨重、穿戴舒适性差等问题。文章介绍了柔性外骨骼机器人的发展现状，重点介绍了主要的驱动结构（包括线驱动、气动肌肉和液压驱动等），柔性外骨骼机器人主要采用的纺织材料（形状记忆材料、电活性聚合物、碳纤维和水凝胶材料等），并剖析了纺织材料在柔性外骨骼领域应用所面临的困难，并提出了今后的发展方向。关键词：柔性外骨骼；纺织材料；可穿戴机器人中图分类号：TS106；TP242文献标志码：ADOI：10.3969/j.yinran.202401018Current status of research on textile materials for flexible exoskeleton robotsGU Ya1,FU Hongjun1()Faculty of Textile Science and Engineering,Tiangong University,Tianjin 300387,ChinaAbstract:The flexible exoskeleton based on textile materials effectively solves the problems of poor compliance,bulkiness,and poor wearing comfort of rigid exoskeleton robots.The development status of the flexibleexoskeleton robot is introduced,focusing on the main drive structures(including wire drive,pneumatic muscleand hydraulic drive),the textile materials(shape memory materials,electroactive polymers,carbon fibers andhydrogels)mainly used by the flexible exoskeleton robot.The application difficulties of textile materials in theflexible exoskeleton field are analyzed,and the future development direction is put forward.Key words:flexible exoskeleton;textile material;wearable robot外骨骼机器人是指基于仿生学和人机工程学，通过模拟人体的骨骼和肌肉，形成与人体相契合的可移动的穿戴设备，通过适当的驱动方式为穿戴者的关节提供额外的能量补偿，以达到运动机能恢复或增强的目的1-2。通常根据使用材料不同，外骨骼机器人可分为刚性外骨骼和柔性外骨骼两大类。刚性外骨骼机器人由大量的刚性杆件连接组成，能提供较大的扭矩，但所需驱动能耗大，穿戴时笨重不舒适，人机融合度和便携性较差，操作困难。研究初期人们更关注于外骨骼的机械结构设计，这促使了刚性外骨骼的优先发展。随着科技的发展和市场的需求，柔性结构取代刚性结构是近年来外骨骼领域研究的重点，其能够解决很多传统刚性结构存在的问题。如今，全球老龄化的加剧、国防军事单兵现代作战要求不断完善、工业生产中特殊工种智能化运作等都推动着市场对外骨骼的巨大需求，因此，外骨骼机器人技术不仅备受关注，而且具有巨大的价值空间。近年来，纺织材料开始成为柔性可穿戴外骨骼设备的首选材料3，基于纺织材料的柔性外骨骼驱动器层出不穷，例如在2010年，研究人员开始利用纺织材料特有的力学性能来改善可穿戴外骨骼4。笔者查阅的外骨骼相关文献综述基本是从驱动和控制角度出发，而极少有关于基于纺织材料的外骨骼应用。为此，本文综述了国内外柔性外骨骼机器人的研究进展，重点介绍了适用于柔性外骨骼机器人的纺织材料，并探讨了其作为柔性外骨骼材料面临的难点，提出了纺织材料在柔性外骨骼领域今后的发展方向。1柔性外骨骼机器人研究现状驱动结构对外骨骼系统起到决定性作用5，它是外骨骼的力量源泉。1.1线驱动线驱动一般通过电机驱动，拉伸线根据人行走骨骼肌分布，并施力于固定关节的“锚点”，从而实现力的传递5。线驱动的典型代表为鲍登线，其具有远距离传动、不受空间约束和轻量化的优势6。鲍登线在国内也叫“腱鞘”，由外壳和线芯组成，可提供一种拉力（如自行车离合器），也可提供一种推力（如船舰的转向控制）。哈佛大学Wyss研究所对鲍登线的研究层见叠出。如图1所示，第二代柔性下肢外骨骼机器人Soft Exosuit7将织带作为绑缚结构和力的传递路径，在鲍登线驱动下可同时对髋关节的伸展、屈曲，踝关节的跖屈进行主动助力，试验对体质量80 g受试者以1.25 m/s的行走速度测试，结果表明：该助力系统能够实现踝关节70%、髋关节48%的能量传递。Wyss研究室提出了第一个应用于中风患者的单侧辅助行走柔性外骨骼机器人8，如图2所示。根据纺织品的传力路径，提供的扭矩可辅助单关节或同时辅助多个关节，电机驱动鲍登线带动整个下肢运动，以模仿生物肌肉的单关节或多关节功能。这套外骨骼机器人系统通过步态的可靠跟踪、适当时机的收稿日期：2023-08-25；修回日期：2024-01-03作者简介：顾娅（1996），女，硕士研究生，主要研究方向为柔性外骨骼服装。通信作者：傅宏俊（1975），男，副教授，博士，E-mail：。79印染（2024 No.1）辅助力量，在3名慢性脑卒中患者试验中证实关键步态指标有所改善，例如Xnp（非瘫痪侧）和Xp（瘫痪侧）的步时对称指数平均提高了6.26%，站立时间对称性平均提高了3.52%，步幅时间减少了11.43%。华南理工大学的研究者为中风患者设计了采用协同-拮抗的鲍登线驱动方式传递力和扭矩辅助膝关节，以实现预期运动的下肢外骨骼机器人9，又设计了一对对立个性化康复步态和前馈比例-积分-微分控制器驱动鲍登线矫正步态自然的全柔性下肢外骨骼10。图1Soft Exosuit柔性外骨骼机器人Fig.1Soft Exosuit flexible exoskeleton robot图2哈佛大学单侧辅助行走柔性外骨骼机器人Fig.2 Unilateral walking aid flexible exoskeleton robot by Harvard university有关上肢线驱动的外骨骼研究也不少。SAMPER-ESCUDERO JL等人11从解剖学原理出发，以夹克作为基布，将电缆驱动线缝合于叠加的几层纺织品中，剪裁出一件柔性外骨骼外衣，且配置的电机和电子设备被放于一个背包中，减少了手臂的负载。在高达130 N辅助力下能够使负载2 kg的肩膀在2.3 s内完全弯曲100，并减少26.36%的肌肉激活和延长手臂伸展等疲惫姿势的时间。HARBAUER团队12为提高用户体验感，设计的上肢柔性外骨骼机器人如图3所示，该外骨骼主体材料采用Cordura尼龙格子布（一种低弹性、高抗撕裂性能的户外服装面料），关节处嵌入高弹材料，被聚四氟乙烯管包裹的Dyneema（超强韧超高分子质量聚乙烯纤维）电缆沿着手臂肌肉和肌腱穿梭于服装中，此种驱动方式提高了外骨骼服和人体的贴合度，能允许手臂全方位运动。图3德国慕尼黑工业大学的上肢柔性外骨骼机器人Fig.3An upper limb flexible exoskeleton robot by TechnicalUniversity of Munich1.2气动肌肉将纺织材料同柔性的气动人工肌肉驱动器结合起来是铸就柔性外骨骼的良好路径之一，这主要得益于气动人工肌肉以气压为刺激信号，具有柔顺性好、质量小和高功率非线性驱动等优点13。Mckibben肌肉是20世纪50年代编织型气动肌肉的典型代表，由美国医生JOSEPH L MCKIBBEN发明14，多年来被广泛应用于软体机器人、医疗、航空航天等领域15。2013年，哈佛大学研发的世界上第一款柔性外骨骼就以Mckibben肌肉作为驱动执行器16。日本东京工业大学这些年来一直致力于Mckibben肌肉软体机器人的研究，目前他们的人工肌肉已达到纤维的细度，如KURUMAYA等人17三股编织的Mckibben肌肉，其管套外径仅1.8 mm、套里的硅胶管外径1.3 mm、内径0.9 mm（这是当时能大量生产的Mckibben肌肉中最细的），新的肌肉比单根Mckibben肌肉收缩率提高26.8%，其轻便、灵活的特点适用于可穿戴机器人和肌肉外骨骼机器人驱动器。他们在文献17编织方法基础上，对管套外径为1.9 mm、内里硅胶管外径为1.3mm的Mckibben肌肉进行二次编织，实现41%的收缩率。理论显示若编织次数增加，所需收缩力减小、收缩率提高，在复杂的可穿戴全身外骨骼机器人方面大有应用前景18，但多次编织迟滞性增加。为克服传统Mckibben肌肉的局限性，美国加州大学的研究员们设计了由单层密闭机织物（硅树脂和聚氨酯浸渍的防撕裂尼龙织物）制作的气动肌肉19，由于没有内囊和外编织套之间的摩擦，迟滞性小于1%，比Mckibben肌肉减小一个数量级，且高达10万次的高收缩疲劳试验证明其使用寿命不亚于Mckibben肌肉。此外，气动执行也常用于可穿戴外骨骼机器人手套中。如图4所示，YILMAZ A F等人20利用织物的各向异性构建了一种纺织外骨骼手套机器人。针织面料置于顶层，机织物置于底层，由热塑性聚氨酯薄膜制备的气囊放于两织物之间作为驱动执行器。改变四种具有不同程度各向异性的针织材料，发现各向异性差异大的驱动器比各向异性差异小的驱动器具有更大的握力；随着缝纫分割密集度增加，驱动器弯曲角度增加、径向膨胀趋势减小。用莱卡/涤纶所制备的外骨骼机器人手套成品，气囊压强达到160180 kPa时可握住各种物体，由于每只手指具有独立的控制性，因此，还可根据抓取物体形状的不同创造出不同的抓握类型。哈佛大学也用该方法设计了一款柔性外骨骼机器人手80面向柔性外骨骼机器人的纺织材料研究现状印染（2024 No.1）套21，只是针织物各向异性被褶皱所替代，通过测试无线表面肌电系统在1 500 Hz的采样频率，得出手指屈肌的肌电活动最大自愿收缩（MVC）为4.3%，这与基线肌电没有明显差异，说明受式者没有贡献积极的抓握力，而手套的握力足以抓住750 g的物体，可满足日常生活的需求。图4土耳其外骨骼机器人手套及用其抓握不同形状和重量的物体示意图Fig.4Turkish exoskeleton robot glove and its grasp of objectswith different shapes and weights1.3其他驱动结构柔性外骨骼驱动除主流的线驱动和气动肌肉，还有液压驱动和直流电机直驱等。液压驱动是以液体作为介质来传递力的驱动方式22。韩亚丽等人23在髋关节和膝关节处安装液压杆件带动小腿完成屈/伸运动，在一定的变速范围内，步态无明显变化，说明该样机的稳定性良好。不同于以往的液压驱动装置通常需要外部能源供应或加压储液器，GUTIERREZ等人24基于事件能量循环（EBEC）设计概念，研发出能在封闭的液压回路中实现收集、储存、驱动和控制的外骨骼机器人，使用者在行走中获取能量，用于步态后期辅助膝关节弯曲。AL-AYYAD M等人25规避了肌电图（EMG）、脑电图（EEG）、压力传感器等易受外界污染而导致意图识别出现偏差的问题，采用直流电机（DC）驱动几乎没有传感元件的下肢，该DC驱动通过监测电压和电流的变化可完全检测到用户的预期运动。下肢康复外骨骼（RLLE）需要多关节驱动执行器，但由于其非线性，要求驱动器性能高、跟踪误差要小，为此ALIMAN等人26使用基于粒子群优化的模糊逻辑比例导数控制器模型，并参考自适应初始化方法（Adaptive-FLC-PD），用于控制直流电机驱动髋关节和膝关节，帮助RLLE的被动康复训练。2基于纺织材料的柔性外骨骼2.1形状记忆材料形状记忆材料是一种能够自感知和自驱动，在刺激作用下发生几何变化并能恢复的金属或高分子材料27。其中金属记忆合金（shape memory alloys，SMA）和形状记忆聚合物（shape memory polymer，SMP）主要依靠热刺激产生良好的机械性能，是制备柔性外骨骼机器人仿生驱动器的简便材料28。KIM C等人29用镍钛SMA和纺织面料设计了一款辅助踝关节跖屈的下肢可穿戴外骨骼机器人，如图5（a）所示，没有电池时，整个系统仅428.5 g，能为踝关节提供100 Ncm的力矩，施加0.8 A电流时，SMA驱动执行器收缩需0.5 s；施加1 A电流时，仅0.2 s即可收缩，且10次循环驱动后测量驱动部分的表面温度，最高仅34.6，可确保人体皮肤不会被灼伤。该团队还用镍钛SMA弹簧束制作纺织肌肉并缝合到上肢衣袖中，如图5（b）所示，通过控制收缩长度的编码器和固定用的BOA系带系统，能够在短时间内把2 kg和4 kg的哑铃举到目标位置30。图5形状记忆合金柔性外骨骼机器人Fig.5Shape memory alloy flexible exoskeleton robot形状记忆聚合物（SMP）制作的软体机器人在与人体互动的过程中，能够适时地“编程”以调整自己的形状和形态，以确保施加正确与合适的力，实现可逆的恢复最初的形态31。为响应复杂多变的刺激，KHALID等人32直接建模，用SMPs制作出一款高精度柔性外骨骼机器人。LALEGANI等人33使用熔融沉积成型技术（FDM）打印含发泡剂的 varioShore 热塑性聚氨酯（varioShore TPU）气动驱动器,其采用晶格设计，通过控制腔体内的接触面积来提高极限强度；还可控制弯曲角度和产生的力，在高达 500 kPa 压强下测试其弯曲角度可达 200。该驱动器有助于设计可穿戴的手部康复设备，帮助手指和手腕的屈伸。2.2电活性聚合物电活性聚合物（electroactive polymer,EAP）是一种新型的智能高分子材料，其与能源耦合率高达90%34，具有优异的机械和电学性能，与记忆合金材料相比，其能耗更低、响应迅速、韧性好、形变大35。按照作用机理的不同，EAP可分为电子型EAP和离子型EAP。导电聚合物（conductive polymer，CP）是离子型EAP中的一种。DUTTA等人36用针织结构（Ag-KDK）镀银聚酰胺纱线作为导电芯材料，在涂覆聚 3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT PSS）基础上对聚吡咯进行电化学聚合，制备CP纱线驱动器。其涂上离子凝胶电解质可用作“纺织肌肉”集成到织物中，形成柔性外骨骼功能性服装。AZIZ等人37对涂有碳纳米管（carbon nanotubes，CNT）的PET纱线进行加捻和卷绕，并进行聚吡咯涂层，导电聚合物层内的CNT和芯纱的多尺度加固，以及电化学激活的双层电荷注入和体积膨胀/收缩机制的组合为整体提供了驱动力，得到分层肌肉结构。该“人工肌肉”驱动器表现出较高的机械性能，满足可穿戴设备和纺织外骨骼柔性驱动器的要求。81印染（2024 No.1）2.3碳纤维碳纤维最突出的特点是轻质、高强，其复合材料还具有抗疲劳和导热性等38。德国仿生学公司German Bionics推出的第四代Cray X外骨骼机器人，如图6（a）所示，其由超轻碳纤维制成39。该背负式外骨骼能够给身体提供良好的支撑，再结合集成云端接口设计，连接到智能工厂系统，可实时掌握相关讯息，从而有助于提高生产率，保障员工健康和安全。2018年，在俄罗斯国家技术集团Rostec举行的国际军事技术论坛ARMY上，展示了一款已在军事行动中测试的碳纤维作战外骨骼服，如图6（b）所示，其杠杆和转轴呈人体关节状态，当士兵负载超过50 kg时，该系统就被触发，不仅能降低士兵的体能消耗，还起到保护脊柱和关节的作用40。（a）德国第四代Cray X（b）俄罗斯军用外骨骼外骨骼机器人机器人图6Gray X外骨骼外骨骼机器人和俄罗斯军用Fig.6The fourth generation Cray X exoskeleton robot from Germany（a）and Russian military generation exoskeleton robot2.4其他材料受人体骨骼肌“锻炼生长”的启发，日本北海道大学的龚剑萍团队41开发了一种自生长的双重网格结构的水凝胶材料。该材料通过有效的机械化学转导来响应重复的机械应力，在重复载荷下结构破坏-重建过程中，材料得到实质性增强，既能够为骨骼损伤者提供舒适灵活的支撑，还能自适应不同个体特征，是柔性外骨骼及智能元件的上佳材料。华南理工大学郎超教授联合宾夕法尼亚州立大学HICKEY R J教授42从天然肌肉中获得灵感，将高性能驱动材料与基于天然骨骼肌纤维的结构相结合，提出了嵌段聚合物自组装人工肌肉。该研究第一步使用快速注射法，将质量分数22%的聚（苯乙烯）-b-聚（环氧乙烷）-b-聚（苯乙烯）（SOS）的四氢呋喃（THF）溶液注入水浴中触发自组装置，制备出水凝胶纤维；再沿着纤维轴向拉伸水凝胶，改变应变条件诱导聚氧化乙烯（PEO）链段定向结晶，实现低熵，在特定的刺激下，结晶的PEO可转变为非结晶态，实现能量的转换。由于没有化学交联，该材料还可进行回收再利用。这种类似于哺乳动物的骨骼肌结构，与目前的驱动器相比其效率、应变和力学性质更好。3纺织外骨骼的研发难点外骨骼按功能可分为：康复型、助力型和增强型。康复型外骨骼主要针对脑卒中及偏瘫患者等需要“硬支撑”群体，帮助他们提升肌肉力量、恢复运动神经；助力型外骨骼也会用到“硬支撑”，其主要用于康复后行动不便的群体以及残疾人士；增强型外骨骼主要应用于特种任务和特殊的环境，如单兵长途跋涉、搬运重载作业人员、复杂的山区环境等。不同类型的外骨骼与纺织面料在人机互动的过程中所表现出的力学性质的复杂性和不确定性、柔性驱动器能效的不同要求、不同的支撑力度，以及舒适力度的控制一直是基于纺织材料的柔性外骨骼亟待解决的问题。3.1人机协同控制外骨骼系统是以人为核心的人机协同智能控制系统，其需要充分地感知穿戴者的运动意图，并在此基础上及时配合相应的辅助策略，才能达到人机协调43。由于纺织材料大多刚度低，在与人体互动的过程中其力学性质呈现出复杂、非线性、力传递的延迟性等特点，而用于人体运动意图识别的柔性传感器（如压力传感器、EMG表面机电技术、惯性传感器等）的灵敏度、精确度、耐久性、结构稳定性等有待提高44。以上因素造成人与外骨骼机器人之间时效的不同步，人机协同控制的精度、同步性还需改进。3.2刚柔性的矛盾柔性下肢外骨骼机器人多以柔性纺织材料作为系统基体和传递力的支撑构件45，但目前的柔性纺织材料无法解决外骨骼的支撑和力的准确控制问题，特别是下肢康复和增强型外骨骼。刚性杆件能够实现力的有效和精准传递，还能帮助身体平衡，提供较大的扭矩，并大幅度提升人体负载能力，但仍无法满足柔性外骨骼的相关要求。尽管用一些纺织材料替代传统刚性杆件，使其轻质化程度已如普通衣物，但不少仍以刚性结构的方式存在。对此，有研究者从蛇的鳞甲中获得灵感，研发出一种自适应共形仿生超材料的“电子铠甲”46，坚硬的鳞甲能够帮助肢体站立，并能灵活自如地爬行，该研究成果对柔性外骨骼在兼具刚柔性方面有极大的借鉴意义。3.3舒适性和功能性的平衡柔性外骨骼力的传递支点腰部、膝关节、脚踝等部位都需要柔性材料紧实地包裹，这也称为“绑缚系统”。作为人机交互的界面，绑缚系统的功能性和舒适性是柔性外骨骼系统中最直接且重要的体验与反馈。纺织面料是绑缚系统首选的通用材料，其一方面能够改善外骨骼与人体接触处的舒适度，另一方面作为“关键锚”能避免位移。紧实的绑缚虽可避免在运动中产生滑移或滑脱，但会造成绑缚结构对人体的压迫感，引起血液循环不畅，穿戴时间过长还会导致软组织受损、人体正常运动机能减弱47。如何在满足生物力学的要求下兼具舒适性，实现人机相容是柔性外骨骼所面临的问题之一。当前，自适应智能压力纺织材料、自适应智能形变纺织材料48等能够柔软地紧贴人体，但不会产生压迫感，可能会给该问题提供一定的思路。4结语纺织材料在外骨骼领域开始备受青睐，但目前的研究多侧重于纺织驱动器的研发，这些驱动器（除手部仅依靠纺织力学及结构就可实现驱动外）均需要外接驱动源才可实现。现有的纺织新材料制备的驱动大多停留在试验阶段，仅是“适用于”柔性82面向柔性外骨骼机器人的纺织材料研究现状印染（2024 No.1）外骨骼，市场还是以传统的柔性外骨骼甚至是刚性外骨骼为主。此外，纺织柔性外骨骼驱动力不足、人机协同控制存在延迟性、适用机型单一、功能性和舒适性的平衡难题等仍待进一步解决。由于纺织材料无论是其自身微观结构还是在穿着中的力学表现都十分复杂，可利用这种复杂性在成纤、纺纱、织造、后整理等阶段赋予材料不同的结构与性能，实现以纯纺织材料织造出“钢铁衣”，虽然这面临着很多挑战，但也备受期待。参考文献：1丁逸苇，涂利娟，刘怡希，等.可穿戴式下肢外骨骼康复机器人研究进展J.机器人，2022，44（5）：522-532.2曹品.基于气动肌肉的柔性下肢外骨骼设计D.成都：西南交通大学，2021.3SANCHEZ V,WALSH C J,WOOD R J.Textile technology for soft robotic and autonomous garmentsJ.Advanced Functional Materials,2021,31（6）：2008278.4QUINLIVAN B,ASBECK A,WAGNER D,et al.Force transfer characterization of a soft exosuit for gait assistanceC.39th Mechanisms andRobotics Conference.Boston,Massachusetts,USA：American Society ofMechanical Engineers,2015：1-6.5孟琳，董洪涛，侯捷，等.面向下肢康复的柔性外骨骼机器人进展研究J.仪器仪表学报，2021，42（4）：206-217.6王智厚.基于鲍登线传动的踝关节步行助力器研究D.广州：华南理工大学，2021.7DING Y,GALIANA I,ASBECK A,et al.Multi-joint actuation platform for lower extremity soft exosuitsC.2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA）.Hong Kong,China：IEEE,2014：1327-1334.8BAE J,MARIA DE ROSSI S M,O DONNELL K,et 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