Exosuits肌肉控制給更多人帶來新的希望

Exosuits（外骨骼套裝）是一種很有前途的技術(shù)，它仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。Exosuits是幫助使用者移動(dòng)身體的輔助框架。具體來說，使用電脈沖移動(dòng)用戶肌肉的Exosuits會(huì)很快使用戶疲勞。到目前為止，疲勞問題還沒有一個(gè)巧妙的解決方案，但一個(gè)國(guó)際科學(xué)家小組正在開發(fā)一種新的Exosuits，旨在通過可控的硬化材料系統(tǒng)來解決疲勞問題。

這組技術(shù)是韓國(guó)和瑞士的研究人員和工程師的創(chuàng)意，用于開發(fā)一種動(dòng)力外骨骼設(shè)備，該團(tuán)隊(duì)稱之為Synapsuit。他們的系統(tǒng)旨在避免長(zhǎng)時(shí)間肌肉刺激引起的疲勞，這項(xiàng)技術(shù)也被稱為功能性電刺激。

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由于FES易于實(shí)施且成本低廉，不需要侵入性手術(shù)，因此它仍然是輔助技術(shù)方向一個(gè)非常有吸引力的工具。FES目前用于物理治療和康復(fù)，但事實(shí)證明，用力移動(dòng)使用者身體所需的電流對(duì)肌肉來說太累了，無法長(zhǎng)期使用。

研究人員表示，靜電離合器技術(shù)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分，目前正由韓國(guó)電子技術(shù)研究所（KETI，Korea Electronics Technology Institute）進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。

日內(nèi)瓦Wyss生物與神經(jīng)工程中心的機(jī)器學(xué)習(xí)科學(xué)家、Synapsuit項(xiàng)目的首席研究員Kyuhwa Lee說，這種疲勞使人們很難全天使用FES系統(tǒng)：“它不能長(zhǎng)期使用。為了解決疲勞的問題疲，我們使用了靜電離合器系統(tǒng)，這樣用戶就可以保持固定的位置。”

什么是靜電離合器？

研究人員表示，Synapsuit的靜電離合器系統(tǒng)旨在將用戶的關(guān)節(jié)固定在FES驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)之間。離合器本身是重量輕、靈活的袖子一般，放置在用戶的肘部、手腕和指關(guān)節(jié)周圍。這些袖子通常像布一樣柔軟，但可以快速加固，以支撐它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)之間包裹的關(guān)節(jié)，從而消除了僅僅為了固定關(guān)節(jié)而持續(xù)刺激用戶肌肉的需要。

當(dāng)電壓施加到袖子內(nèi)重疊材料層內(nèi)的柔性導(dǎo)電板上時(shí)，離合器變硬?！斑@就像一個(gè)電容器，”Lee說，“當(dāng)你施加電壓時(shí)，這些材料會(huì)相互拉動(dòng)，產(chǎn)生很大的摩擦?！盠ee表示，這之間的電力會(huì)以足夠的力將它們鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?，以支撐高達(dá)2公斤的負(fù)載。當(dāng)電勢(shì)降低時(shí)，層之間的力消失，離合器恢復(fù)到柔性狀態(tài)。

在肌肉刺激和鎖定離合器之間協(xié)調(diào)需要精細(xì)而小心的控制——這正是Synapsuit的設(shè)計(jì)師希望能夠?yàn)槠湎到y(tǒng)所提供的支持。

北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械和航空航天工程教授Nitin Sharma沒有參與這項(xiàng)研究，他對(duì)此表示，雖然他看到了Synapsuit技術(shù)的希望，但他也看到了很大的改進(jìn)空間。

“這當(dāng)然是個(gè)聰明的主意，”他談到離合器技術(shù)時(shí)說，“他們還沒有展示靜電離合器和電刺激是如何協(xié)同工作的。我認(rèn)為它對(duì)減少FES的疲勞有好處，但它將如何用于步進(jìn)或伸手等協(xié)同控制尚不清楚。我不認(rèn)為離合器能做到這一點(diǎn)，它或只用于位置保持?！?/p>

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Synapsuit的下一步是什么？

在改進(jìn)靜電離合器的同時(shí)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)神經(jīng)電極，以最終用于控制Synapsuit。

研究人員表示，這些電極由總部位于日內(nèi)瓦的Neurosoft Bioelectronics公司開發(fā)，現(xiàn)在由新型彈性材料制成，可以適應(yīng)大腦塊狀的脊和折疊。這使它們與其他這種類型的電極不同，這些電極相對(duì)較硬，無法測(cè)量大腦大部分高度褶皺表面的神經(jīng)活動(dòng)。

Neurosoft首席執(zhí)行官Nicolas Vachicouras表示，其陣列由高度柔性的硅樹脂制成，采用半導(dǎo)體行業(yè)的旋涂技術(shù)。硅樹脂和柔性導(dǎo)電材料一層一層地沉積在硅片上，使用的自動(dòng)化工藝與用于創(chuàng)建微處理器精細(xì)結(jié)構(gòu)的工藝非常相似。Vachicouras說：“我們沒有重新發(fā)明新設(shè)備，我們只是借用了通常用于其他用途的設(shè)備?！?/p>

陣列中的導(dǎo)電跡線也被設(shè)計(jì)成彎曲和拉伸，由“微裂紋金（microcracked gold）”制成，這種材料在彎曲變形時(shí)保持導(dǎo)電性和穩(wěn)定的電氣特性。Vachicouras說，該團(tuán)隊(duì)采用了為柔性顯示系統(tǒng)開發(fā)的制造工藝中的部分電極。Vachicouras表示：“你永遠(yuǎn)不知道一項(xiàng)技術(shù)最終會(huì)走向何方?！?/p>

不過，目前還不能指望很快就能穿上Synapsuit：雖然Neurosoft已經(jīng)開始人體試驗(yàn)來測(cè)試該系統(tǒng)的柔性神經(jīng)電極，但控制Synapsuite所需的KETI靜電離合器和神經(jīng)解碼軟件仍然是原型。盡管如此，Lee表示，他預(yù)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目將在2026年前生產(chǎn)出一個(gè)功能齊全的Synapsuit系統(tǒng)。