创新的生物机械臂使用人工肌肉对抗震颤，为可穿戴解决方案铺平道路

快速阅读: 据《科技探索》称，全球约有8000万人遭受震颤困扰，影响日常生活。德国科学家团队在Bionic Intelligence BITS合作下，开发了一款名为“机械患者”的仿生机械臂，模拟震颤并通过内置的人工肌肉补偿运动，有效抑制震颤。该设备不仅作为测试平台，还展示了未来辅助可穿戴设备的潜力，有望帮助震颤患者更自如地完成日常任务。

设计和控制机械患者及震颤抑制机制。图片来源：马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）

据估计，全球约有八千万人患有震颤。例如，那些患有帕金森病的人。这些不由自主的周期性运动有时会严重影响患者的日常活动能力，如从杯子中喝水或写字。可穿戴软体机器人设备为抑制此类震颤提供了潜在解决方案。然而，现有的原型还不足以提供有效的治疗。马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）、图宾根大学和斯图加特大学的科学家们在Bionic Intelligence 图宾根 斯图加特（BITS）合作下，希望改变这一现状。

研究团队在仿生机械臂上装备了两根沿着前臂绑缚的人工肌肉。该研究论文发表在《装置》期刊上。这款仿生机械臂——被称为“机械患者”——模拟了震颤。记录并投射了几种真实的震颤到仿生机械臂上，然后模仿每位患者的手腕和手部的震颤动作。然而，一旦启动震颤抑制功能，由电液执行器制成的轻质人工肌肉会收缩和放松，以补偿来回运动。现在，几乎感觉不到或看不到震颤。

通过这只手臂，研究团队希望实现两个目标。首先，团队将他们的仿生机械臂视为其他科学家测试辅助外骨骼技术新想法的平台。结合生物力学计算机模拟，开发者可以快速验证其软人工肌肉的表现，从而避免耗时且昂贵的临床测试——在某些国家，这种测试甚至不合法。

此外，该手臂还作为测试平台，用于马克斯·普朗克智能系统研究所机器人材料部门广为人知的人工肌肉。多年来，这些所谓的HASEL已经逐步优化改进。团队的愿景是让HASEL成为一种辅助可穿戴设备的构建模块，使震颤患者能够舒适地佩戴，更好地应对诸如端杯等日常生活任务。“我们看到我们的肌肉有很大的潜力成为人们可以非常隐蔽地穿戴的服装的一部分，以至于其他人甚至不会意识到这个人患有震颤，”马克斯·普朗克智能系统研究所机器人材料部门的博士后、论文的第一作者阿洛娜·沙甘·舍蒙说。

“我们展示了基于HASEL技术的人工肌肉足够快且强大，可以应对手腕的大量震颤。这显示了基于HASEL的可穿戴辅助设备对于生活在震颤中的个体具有巨大的潜力，”舍蒙补充道。“借助机械患者和生物力学模型的组合，我们可以测量任何测试的人工肌肉是否足够好以抑制所有震颤，甚至是非常强烈的震颤。因此，如果我们将来制造出可穿戴设备，我们可以调整它以分别响应每种震颤，”丹尼尔·豪夫勒补充道。他是图宾根大学赫尔蒂临床脑研究所的教授。他还创建了计算机模拟并收集了患者的震颤数据。

全面的方法以快速评估新兴的震颤抑制技术。图片来源：马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）

从左至右：阿洛娜·沙甘·舍蒙、辛·施密特、克里斯托夫·凯普林格和丹尼尔·豪夫勒。图片来源：马克斯·普朗克智能系统研究所 / W. 施赖贝尔

“机械患者让我们能够在开发早期就测试新技术的潜力，而无需对真实患者进行昂贵且耗时的临床测试，”斯图加特大学计算生物物理学和仿生机器人学教授辛·施密特说。“许多好的想法往往没有得到进一步的推进，因为临床测试既昂贵又耗时，在技术发展的早期阶段很难获得资金支持。我们的机械患者是允许我们在开发早期测试潜力的解决方案。”

“机器人技术在医疗保健应用方面具有巨大潜力。这个成功的项目突显了基于柔性可变形材料的软体机器人系统的关键作用，”马克斯·普朗克智能系统研究所机器人材料部门主任克里斯托夫·凯普林格总结道。

更多信息：阿洛娜·沙甘·舍蒙等人，《装置》，2025年。DOI：10.1016/j.device.2025.100719

期刊信息：《装置》

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