Exosuits肌肉控制給更多人帶來(lái)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(zhù)巨大的挑戰。Exosuits是幫助使用者移動(dòng)身體的輔助框架。具體來(lái)說(shuō)，使用電脈沖移動(dòng)用戶(hù)肌肉的Exosuits會(huì )很快使用戶(hù)疲勞。到目前為止，疲勞問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)巧妙的解決方案，但一個(gè)國際科學(xué)家小組正在開(kāi)發(fā)一種新的Exosuits，旨在通過(guò)可控的硬化材料系統來(lái)解決疲勞問(wèn)題。

這組技術(shù)是韓國和瑞士的研究人員和工程師的創(chuàng )意，用于開(kāi)發(fā)一種動(dòng)力外骨骼設備，該團隊稱(chēng)之為Synapsuit。他們的系統旨在避免長(cháng)時(shí)間肌肉刺激引起的疲勞，這項技術(shù)也被稱(chēng)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，但事實(shí)證明，用力移動(dòng)使用者身體所需的電流對肌肉來(lái)說(shuō)太累了，無(wú)法長(cháng)期使用。

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

日內瓦Wyss生物與神經(jīng)工程中心的機器學(xué)習科學(xué)家、Synapsuit項目的首席研究員Kyuhwa Lee說(shuō)，這種疲勞使人們很難全天使用FES系統：“它不能長(cháng)期使用。為了解決疲勞的問(wèn)題疲，我們使用了靜電離合器系統，這樣用戶(hù)就可以保持固定的位置?！?/p>

什么是靜電離合器？

研究人員表示，Synapsuit的靜電離合器系統旨在將用戶(hù)的關(guān)節固定在FES驅動(dòng)的運動(dòng)之間。離合器本身是重量輕、靈活的袖子一般，放置在用戶(hù)的肘部、手腕和指關(guān)節周?chē)?。這些袖子通常像布一樣柔軟，但可以快速加固，以支撐它們在運動(dòng)之間包裹的關(guān)節，從而消除了僅僅為了固定關(guān)節而持續刺激用戶(hù)肌肉的需要。

當電壓施加到袖子內重疊材料層內的柔性導電板上時(shí)，離合器變硬?！斑@就像一個(gè)電容器，”Lee說(shuō)，“當你施加電壓時(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的位置，以支撐高達2公斤的負載。當電勢降低時(shí)，層之間的力消失，離合器恢復到柔性狀態(tài)。

在肌肉刺激和鎖定離合器之間協(xié)調需要精細而小心的控制——這正是Synapsuit的設計師希望能夠為其系統所提供的支持。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)機械和航空航天工程教授Nitin Sharma沒(méi)有參與這項研究，他對此表示，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。

“這當然是個(gè)聰明的主意，”他談到離合器技術(shù)時(shí)說(shuō)，“他們還沒(méi)有展示靜電離合器和電刺激是如何協(xié)同工作的。我認為它對減少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)團隊正在開(kāi)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瓦的Neurosoft Bioelectronics公司開(kāi)發(fā)，現在由新型彈性材料制成，可以適應大腦塊狀的脊和折疊。這使它們與其他這種類(lèi)型的電極不同，這些電極相對較硬，無(wú)法測量大腦大部分高度褶皺表面的神經(jīng)活動(dòng)。

Neurosoft首席執行官Nicolas Vachicouras表示，其陣列由高度柔性的硅樹(shù)脂制成，采用半導體行業(yè)的旋涂技術(shù)。硅樹(shù)脂和柔性導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 )建微處理器精細結構的工藝非常相似。Vachicouras說(shuō)：“我們沒(méi)有重新發(fā)明新設備，我們只是借用了通常用于其他用途的設備?！?/p>

陣列中的導電跡線(xiàn)也被設計成彎曲和拉伸，由“微裂紋金（microcracked gold）”制成，這種材料在彎曲變形時(shí)保持導電性和穩定的電氣特性。Vachicouras說(shuō)，該團隊采用了為柔性顯示系統開(kāi)發(fā)的制造工藝中的部分電極。Vachicouras表示：“你永遠不知道一項技術(shù)最終會(huì )走向何方?！?/p>

不過(guò)，目前還不能指望很快就能穿上Synapsuit：雖然Neurosoft已經(jīng)開(kāi)始人體試驗來(lái)測試該系統的柔性神經(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，他預計整個(gè)項目將在2026年前生產(chǎn)出一個(gè)功能齊全的Synapsuit系統。