圖 | 波士頓龍蝦（來源：Pixabay）

張碩

提起波士頓龍蝦，你最先想到的是什麽(me) ？肉質嫩滑細膩，入口清爽彈牙，鮮美十足，回味無窮……

除了口感讓人流連忘返，波士頓龍蝦中的營養(yang) 價(jia) 值更是全球吃貨交口稱讚 —— 因長期生活在 600~700 米以下的寒冷海域，所以波士頓龍蝦的生長周期非常緩慢，每增長一磅最少需要 7 年時間，正因如此，其身體(ti) 內(nei) 累積了高蛋白、維生素 A、C、D 及鈣、鉀、鎂、鐵、等微量元素等一係列易被人體(ti) 吸收的營養(yang) 物質。

在中國，許多宴請都少不了波士頓龍蝦的身影，其高高舉(ju) 過頭頂的兩(liang) 個(ge) 碩大的前螯，占總體(ti) 重的 15%，有著 “獨占鼇頭” 的寓意。

除了內(nei) 裏豐(feng) 厚的肉質和美好的寓意，波士頓龍蝦的前螯裏還藏著科學的奧秘 —— 其前螯有著異常堅硬的外殼，但連接的關(guan) 節處卻格外靈活。這種外骨骼結構有利於(yu) 保護它們(men) 免受傷(shang) 害，捕食其他生物並以最快的反應速度逃離天敵。那麽(me) ，能否對這種結構進行仿生研究，為(wei) 外骨骼機器人提供柔韌的關(guan) 節，提升穿戴者的體(ti) 驗？

圖 | 珍寶蟹前鼇關(guan) 節（來源：西安交大）

近日，西安交通大學西安交通大學 “騰飛人才” 特聘教授、博士生導師徐光華團隊以節肢類生物中的兩(liang) 類優(you) 勢種群生物為(wei) 研究對象，包括甲殼類的珍寶蟹和波士頓龍蝦以及昆蟲類的蝗蟲和沫蟬，首次提出一種具有一對反向共軛麵的剛柔一體(ti) 的外骨骼模型，並將其應用於(yu) 人手外骨骼的設計中，通過融合生物關(guan) 節優(you) 勢與(yu) 人體(ti) 運動特性，克服了目前手功能損傷(shang) 患者所用的康複輔助設備中普遍存在的體(ti) 積重量大、機械結構複雜、傳(chuan) 動效率低、適配性差等缺陷。因此，這種新型仿生關(guan) 節可用於(yu) 可穿戴式外骨骼康複機器人。

圖 | 關(guan) 節模型原型的運動捕獲（來源：IEEE Access）

該研究成果於(yu) 1 月 6 日發表在 IEEE Access 雜誌上，論文標題為(wei) 《一種通用的節肢關(guan) 節模型及其在機器人關(guan) 節建模中的應用》（A General Arthropod Joint Model and Its Applications in Modeling Human Robotic Joints）。

圖 | 相關(guan) 論文（來源：IEEE Access）

解剖節肢動物，首次提出外骨骼生物關(guan) 節模型

節肢類生物節肢動物門又稱節肢動物，是動物界最大的一門，主要包括四大類：昆蟲類、甲殼類、蛛形類以及多足類。全世界約有 120 萬(wan) 現存種，占整個(ge) 動物種數的 80%。具有發達堅厚的外骨骼是節肢動物最大的特點，它們(men) 生活環境極其廣泛，海水、淡水、土壤、空中都有它們(men) 的蹤跡。

圖 | 典型的節肢動物種類（來源：西安交大）

昆蟲是地球上數量最多的動物群體(ti) ，昆蟲類動物中，彈跳能力最強的四類生物分別為(wei) ：沫蟬，跳蚤，蝗蟲和蟋蟀。其中以蝗蟲最為(wei) 常見。目前科研人員對於(yu) 蝗蟲結構進行了大量的解剖研究，蝗蟲彈跳關(guan) 節主要由一對具有共軛麵的結構鉸接而成，同時關(guan) 節具有柔性組織（半月組織），以保證關(guan) 節連接的穩定性。據此，徐光華團隊初步提出了具有一對共軛麵的剛柔一體(ti) 的關(guan) 節模型。

圖 | 蝗蟲節肢結構特征提取（來源：西安交大）

為(wei) 了探索該關(guan) 節模型在節肢動物中是否具有普遍性，他們(men) 選擇了同樣作為(wei) 節肢動物的甲殼類動物作為(wei) 研究對象。選取甲殼類動物中的較常見的珍寶蟹和波士頓龍蝦進行大量的關(guan) 節解剖實驗，並對珍寶蟹及波士頓龍蝦前足多個(ge) 關(guan) 節進行了解剖並提取出的關(guan) 節結構如下圖所示：

圖 | 波士頓龍蝦及珍寶蟹關(guan) 節解剖圖（來源：西安交大）

實驗結果顯示，具有共軛麵及柔性組織連接的關(guan) 節模型普遍存在於(yu) 珍寶蟹及波士頓龍蝦四肢關(guan) 節中，這進一步驗證了該關(guan) 節模型在節肢動物中的普遍性。

由於(yu) 生物關(guan) 節中存在大量組織液充當潤滑劑，同時甲殼類動物有蛻皮 / 殼現象，關(guan) 節共軛麵的磨損問題可以得到很好的解決(jue) 。

為(wei) 了使該關(guan) 節模型同樣適用於(yu) 工業(ye) ，徐光華團隊提出了一種優(you) 化的節肢動物關(guan) 節模型。具體(ti) 來說，該模型由一對具有對稱性的反向共軛麵組成，共軛麵的相對運動使輸出端產(chan) 生特定的運動軌跡。研究中采用雙簧片結構連接共軛麵，使共軛麵的相對運動為(wei) 純滾動，有效地減小了相對摩擦，同時保證了運動的精確度。雙側(ce) 采用拉伸彈簧連接共軛麵，為(wei) 一對共軛麵的相對滾動提供足夠的接觸力，同時在關(guan) 節運動中充當拮抗力。

圖 | 優(you) 化的仿生關(guan) 節模型（來源：西安交大）

該仿生關(guan) 節模型通過改變對稱共軛麵的形狀，從(cong) 而在輸出端生成多樣的輸出軌跡。在外骨骼研究中，現有的指端驅動機構如多連杆機構，通過對連杆的機構綜合實現末端的軌跡擬合，雖然多連杆機構在軌跡擬合上可以達到較高精度，但由於(yu) 連杆數量隨著擬合點的增加而增加，最終會(hui) 造成其連杆數量過大，機構變複雜，驅動力傳(chuan) 遞效率大大降低。

而該團隊提出的反向共軛麵的關(guan) 節模型，通過對共軛麵的設計，使輸出端精確擬合多特征點軌跡，結構得到簡化，傳(chuan) 動效果更加高效，擬合也更精確。

圖 | 多連杆外骨骼機構（左）與(yu) 仿生關(guan) 節外骨骼（右）對比（來源：IEEE Access）

仿生關(guan) 節外骨骼三大優(you) 勢：輕量化、運動擬合效果好、節能

據《2018 中國衛生健康統計提要》顯示，中國每年死於(yu) 腦卒中的患者高達 196 萬(wan) ，幸存者中，留有不同程度的後遺症與(yu) 永久性殘疾的患者高達 70 %。而穿戴式外骨骼機器人，有利於(yu) 幫助患者恢複正常的肢體(ti) 運動，大大提高其愈後的生活質量，同時還可減輕護理人員的工作量，在一定程度上，緩解我國護理人員緊缺的狀況。

截止目前，現有的手部外骨骼關(guan) 節機構大致包括三大類：一、全柔性關(guan) 節，定軸轉動關(guan) 節以及連杆機構。定軸轉動關(guan) 節外骨骼結構簡單，廣泛應用於(yu) 人體(ti) 大關(guan) 節的設計如膝關(guan) 節、肘關(guan) 節等，但由於(yu) 單一的定軸轉動並不能滿足人體(ti) 關(guan) 節的運動複雜性，無法較好地與(yu) 人體(ti) 運動相適配；二、全柔性手部外骨骼，結構緊湊，質量輕，與(yu) 人手有較好的適配性，但是這種外骨骼通常不能提供較大且精確的驅動力矩；三、連杆機構，可以擬合人手的特定運動軌跡，但是連杆數量隨著擬合點的增加而增加，導致具有良好擬合效果的連杆機構外骨骼體(ti) 積大，連杆數量多，不利於(yu) 患者佩戴使用。

“與(yu) 同類產(chan) 品相比，我們(men) 設計的外骨骼具有三大優(you) 勢，第一點就是它的整體(ti) 結構簡單 —— 具有輕量化、功能結構一體(ti) 化的特點；第二點是這種外骨骼的仿生度更高，人體(ti) 運動特性擬合效果更好，也就是人在穿戴後不會(hui) 形成運動幹涉，尤其是在關(guan) 節處；第三點是更加節能，傳(chuan) 動效率更高。” 徐光華表示。

圖 | 應用仿生關(guan) 節設計的手部康複外骨骼（來源：西安交大）

除了可穿戴式外骨骼康複機器人領域，該關(guan) 節模型還在工業(ye) 領域具有實用性和推廣性。

“從(cong) 產(chan) 業(ye) 化的角度來說，我認為(wei) 此次研發的外骨骼的應用前景十分廣闊。舉(ju) 例來說，目前我國在康複領域，特別是手功能康複這個(ge) 領域，與(yu) 國際同領域相比仍存在很大的差距。就康複到相同水平的比例而言，我國患者的康複率大約隻有 30%，而美國的恢複率可能是 50%~60%，也就說，依然還有 20%~30% 的差距亟待我們(men) 追趕。另外，一方麵是近年來社會(hui) 老齡化的趨勢愈加明顯，並很快會(hui) 給中國帶來前所未有的新挑戰；另一方麵由於(yu) 交通等意外事故造成截癱的患者數量還在持續增加，這些現狀意味著外骨骼技術‘大有用武之地’。” 徐光華解釋道。

據介紹，徐光華在西安交通大學機械製造係相繼攻讀完本科、碩士、博士學位後，選擇留校任教，之後一路從(cong) 講師、副教授、教授再到副院長，如今，他還是西安交通大學高端裝備研究院醫工交叉研究所的學術帶頭人。

據悉，該研究所以智能檢測與(yu) 腦機交互研究所為(wei) 依托，於(yu) 2018 年 4 月正式成立。研究所的研究方向為(wei) 數字診療和智能診斷為(wei) 核心的腦機交互與(yu) 康複交叉學，主要包括腦機接口與(yu) 調控、人機交互與(yu) 虛擬現實、智能康複裝備、人工智能與(yu) 雲(yun) 診斷等。

徐光華表示，其研究經曆以 2000 年為(wei) 分界線，在 2000 年以前，主要從(cong) 事的是大型設備的機械故障診斷，如火電機組、軋鋼機等；而在 2000 年之後，開始轉化研究對象，將信號處理、人工智能等技術應用於(yu) 研究生物以及康複領域，轉向神經功能、腦機接口等。

他認為(wei) ，從(cong) 工業(ye) 領域到生物領域，看似跨度很大，其實背後運用的核心技術是共通的，而且學科的差異性與(yu) 交叉性特點，會(hui) 賦予研究人員全新的視角，從(cong) 而更容易做出融合與(yu) 創新。

據了解，他們(men) 團隊已經在仿生外骨骼關(guan) 節這項研究上總共投入了 3、4 年時間。

“當然，從(cong) 科研的角度來說，一項研究永遠有繼續深化的必要與(yu) 空間，” 徐光華說道，“接下來，我們(men) 將進展到功能的研究、材料的優(you) 化，推動該技術在康複領域中的實際應用，以及最重要的方麵 —— 將其與(yu) 腦機接口、肌電解碼、無線通訊等技術有機地它整合到一起，從(cong) 而讓假肢真正聽從(cong) 內(nei) 心真實想法，更加靈活地執行相關(guan) 動作。”



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