香港中文大學Science子刊：研發“仿生肌腱”：讓機器人肌肉擁有“觸覺”與“自調節”能力

在過去的幾十年里，模仿骨骼肌收縮運動的人工肌肉取得了長足發展，憑借其高輸出力重比、固有柔順性以及與人體生理結構的兼容性，在可穿戴機器人領域展現出巨大潛力。然而，一個長期存在的缺陷嚴重制約了其應用：絕大多數人工肌肉缺乏力覺感知能力，無法實現自我力調節。這類似于骨骼肌中的腱梭（Golgi tendon organ）所扮演的角色——負責感知肌肉輸出力并參與力調節——在人工肌肉系統中長期缺失。因此，現有的基于人工肌肉的可穿戴設備往往只能依賴經驗性的開環控制，無法在力控環境中精確維持所需的輔助力。特別是在下肢輔助等場景中，如何為人工肌肉集成一種既能有效傳遞力、又能精確感知力，并且具備自調節能力的通用裝置，成為該領域亟待解決的關鍵挑戰。

受骨骼肌中腱梭的啟發，香港中文大學Raymond Kai-Yu TONG教授和訾云龍教授合作提出了一種名為“ExoTendon”的仿生人工肌腱，作為人工肌肉的力傳感與調節通用解決方案。該裝置基于摩擦起電和靜電感應原理，具有高線性度、低遲滯性、可調的靈敏度和量程，能夠作為人工肌肉的“肌腱”使用。ExoTendon能有效調節人工肌肉的預緊力，使相同輸入下產生不同的輔助力。通過優化預緊力水平和閉環力控制，基于人工肌肉的外骨骼服實現了自我力調節，在低輸入條件下顯著改善了中風患者的行走平衡與速度，展示了其在可穿戴機器人和康復醫學領域的應用前景。相關論文以“Filament sensing tension: A bionic artificial tendon for self–force-regulated artificial muscle–driven wearable robotics”為題，發表在Science Advances上。

仿生設計與工作機制：從腱梭到ExoTendon filament

受人體骨骼肌中腱梭的啟發，研究團隊開發了ExoTendon filament（外肌腱絲）。在人體中，腱梭位于骨骼肌與其肌腱之間，將兩者串聯起來。腱梭由纏繞在膠原纖維上的1b感覺軸突組成，當膠原纖維受到張力時，軸突受到壓迫產生動作電位，從而通知中樞神經系統感知外力變化。仿照這一原理，ExoTendon filament采用雙絲或三絲配置結構，可直接與絲狀人工肌肉串聯，實現張力感知與調節。雙絲配置由一根正電極絲和一根負電極絲（具有不同介電涂層）纏繞而成；三絲配置則將正極絲移至外層，中心為純介電芯絲，通過更換芯材可實現不同場景所需的量程與靈敏度。其工作機制基于摩擦起電與靜電感應：當絲線接觸時發生電荷轉移，施加拉力會使螺旋負絲的中心直徑減小，增大絲間接觸面積，從而降低電勢差。通過測量這一電勢差，ExoTendon filament即可有效感知所受力的大小。數百個繞組的累積電荷效應使其在微小力下也能產生顯著電壓輸出。

圖1. ExoTendon絲的仿生設計概念。 （A）如何獲取絲線和織物上的張力？人體骨骼肌中的高爾基腱器官就是答案。高爾基腱器官是與中樞神經系統交互的張力本體感受器，能夠檢測肌肉負荷。在結構上，高爾基腱器官位于骨骼肌及其肌腱之間，將兩者串聯連接。類似地，ExoTendon絲可以與人工肌肉系統集成，模仿高爾基腱器官的張力感知能力。MCU，微控制單元。 （B）高爾基腱器官由與膠原纖維交織的1b感覺軸突組成。當膠原纖維受到張力時，軸突受到壓縮力，產生動作電位，指示肌肉張力的變化。類似地，ExoTendon絲可以采用雙絲配置（藍色），將負極絲纏繞在正極絲周圍，或采用三絲配置（灰色），將負極絲和正極絲纏繞在芯絲周圍。在拉伸載荷下，ExoTendon絲螺旋絲的中心直徑收縮，導致反映所施加張力的整體輸出電壓下降。 （C）高爾基腱器官的1b軸突表現出準確檢測肌肉張力變化的能力。ExoTendon絲的歸一化模型、有限元模型和實驗結果顯示出與輸入力的線性輸出關系。

性能評估：線性響應、可調范圍與高魯棒性

研究團隊對ExoTendon filament的傳感性能進行了系統的定量評估。實驗表明，輸入張力與輸出電壓之間呈現優異的線性關系，這一結果與理論模型和有限元模擬高度吻合。有趣的是，在相同張力下，ExoTendon filament的輸出電壓隨其原始長度的增加而線性增加，顯示出累積效應。雖然單根PTFE-0.4Nylon-silver配置的ExoTendon filament線性測試范圍僅為10 N，但通過將多根絲線并聯，可將量程擴展至數百牛頓，同時靈敏度保持不變。通過增加傳感器長度，系統甚至可分辨低至0.02 N的力。在動態響應方面，ExoTendon filament在8 Hz以內的振動頻率下輸出保持穩定，即使在更高頻率下也能滿足應用需求。經過超過6000次循環測試，其輸出未見衰減；60,000次循環后，輸出范圍衰減不足5%。為了全面評估性能，研究定義了五個關鍵指標：量程、線性度、靈敏度、遲滯性和魯棒性。研究發現，螺距對靈敏度有顯著影響，2.5 mm螺距在較高靈敏度和制造效率之間取得了良好平衡。四種不同配置的ExoTendon filament均表現出高線性度（最高達0.9982）和低遲滯性（最低至4.6%），同時量程和靈敏度各異。特別值得一提的是，其遲滯性獨立于芯絲性質，且傳感器對徑向壓力的響應遠低于軸向張力，最高魯棒性指標達到44.2045。此外，ExoTendon filament還展現出良好的耐久性、耐濕性和耐溫性，滑輪引導對其輸出影響小于3%，充分證明了其在實際應用場景中的可靠性。

圖 2. ExoTendon 絲的原理、制造與表征。 （A）ExoTendon 絲的工作原理。 （B）ExoTendon 絲可使用高速繞線機制造。 （C）50米長ExoTendon 絲的快速制造結果。 （D）在相同張力下，ExoTendon 絲的輸出隨其原始長度增加而增加。 （E）ExoTendon 絲的測試量程隨并聯數量成倍增加，而靈敏度保持不變。 （F）當測試頻率高達 8 Hz 時，ExoTendon 絲的輸出保持不變。 （G）ExoTendon 絲的輸出先隨節距增加而增加，隨后隨節距增加而減少。 （H）四種配置的ExoTendon 絲表現出不同的靈敏度、線性范圍和低遲滯性。 （I）這四種配置之間性能比較的蜘蛛圖。

與人工肌肉的集成：分布式力傳感與“超肌腱”

ExoTendon filament能夠直接與絲狀人工肌肉串聯集成。然而，當部署成束絲狀或平面型人工肌肉以模擬骨骼肌行為時，多通道測量和分布式張力傳感成為挑戰。得益于ExoTendon filament沿長度方向均勻的靈敏度，單根ExoTendon可多次折疊，其總輸出即為各段受力之和，而與張力分布無關。研究團隊將ExoMuscle（一種平面人工肌肉）與ExoTendon filament并聯縫制在織物上，使ExoTendon充當腱梭的角色。通過刺繡機將ExoTendon filament以平行排列的方式集成到織物基底上，確保了每段絲線保持筆直且長度均勻。舉重測試表明，即使力集中在中間而兩側較低，ExoTendon的輸出與頂部的力傳感器測量值相比，均方根誤差僅為1.9%。更令人興奮的是，受骨骼肌羽狀結構的啟發，雙ExoTendon以不同角度排列，可作為“超肌腱”同時測量力的大小和方向，而普通肌腱只能感知力的大小。

圖3. ExoTendon與平面人工肌肉的集成。 （A）平面人工肌肉——ExoMuscle的仿生結構旨在模擬外部穿戴時骨骼肌的行為。 （B）ExoTendon絲與ExoMuscle平行縫制在織物上，作為高爾基腱器官等效的肌腱。 （C）制造方法——使用刺繡機將ExoTendon絲集成到織物上。 （D）分布張力感知驗證。 （E-F）舉重測試驗證ExoTendon感知張力總和的能力。 （G）骨骼肌的羽狀架構。 （H）ExoMuscle通過平面設計復制羽狀能力。 （I）雙ExoTendon作為超肌腱，同時感知力的大小和方向。

應用驗證：助力中風患者髖關節外骨骼服

中風幸存者常伴有下肢感覺運動障礙，其中髖屈肌無力是典型表現之一。與采用應變片的電機驅動設備不同，人工肌肉驅動的設備缺乏有效的力調節能力，用戶只能以經驗方式穿戴，控制為開環模式，無法維持所需力。為此，研究團隊將ExoTendon與ExoMuscle串聯，設計了一款緊湊型外骨骼服，旨在為中風患者提供步行輔助。當外骨骼服加壓時，輔助髖關節屈曲。由于人工肌肉通過彈性綁帶與身體連接，且皮膚和肌肉自身也具有彈性模量，人工肌肉的收縮長度或應變并不能直接反映施加在大腿上的輔助力。而串聯了ExoTendon后，自我力調節或有效的閉環控制成為可能。關鍵問題在于，人工肌肉具有固定的收縮比。預緊力過低會導致力響應延遲，甚至無法達到所需輔助力；預緊力過高則會限制髖關節伸展。實驗表明，在相同輸入壓力下，預緊力越高，對身體的輔助力越大，從而為中風患者帶來更大的屈曲角度。但過高的預緊力也會增加伸展時的阻力。因此，優化預緊力至關重要。通過ExoTendon提供的力反饋，可在穿戴時調節最佳預緊力。閉環力控制實驗顯示，實際輔助力逐漸收斂至目標值，而所需的輸入壓力在50 kPa范圍內波動，證明了開環氣壓控制無法可靠地確定對身體的真實作用效果。最終，穿戴預緊力優化的髖外骨骼服后，三名受試者的患側髖關節活動范圍平均增加了5°，步行速度提高了0.1 m/s以上。

圖4. ExoTendon調節人工肌肉驅動的髖部外骨骼的輔助力。 （A）傳統方法應用人工肌肉時不評估預緊力，并使用開環控制，不了解實際輔助力。 （B）ExoTendon與ExoMuscle串聯連接，當ExoMuscle收縮時，通過ExoTendon反饋力輔助髖關節屈曲。 （C）基于ExoTendon，首先在穿戴人工肌肉時可以確定優化的預緊力；然后使用ExoTendon作為力調節介質進行閉環力控制，可以穩定可靠地實現所需的輔助力。 （D）當人工肌肉穿戴在身體上時，集總模型是人工肌肉通過未知彈性模量的彈性部分連接到關節。 （E）在相同輸入壓力下，最大輔助力隨預緊力水平增加而增加。 （F）最大伸展角隨預緊力水平增加而減小。 （G）輔助力控制過程。 （H）在優化預緊力水平和調節輔助力下，患側髖關節活動范圍增加。

總結與展望

本研究報道了一種用于自我力調節的人工肌肉驅動可穿戴機器人的仿生人工肌腱。所提出的ExoTendon模仿了骨骼肌中腱梭的功能，通過摩擦電絲作為張力傳感器，具有高線性度、低遲滯性以及對徑向壓力和彎曲的高魯棒性。通過改變芯材和螺距，可以調節其量程和靈敏度。與傳統的間接張力傳感方法相比，ExoTendon具有柔軟、順應、緊湊以及可在集中和分布式張力傳感場景中無縫集成的優勢。通過刺繡機將其以平行排列的方式集成到織物上，ExoTendon能夠感知總力而無論其分布如何。兩個ExoTendon還可作為人工肌肉的“超肌腱”，不僅感知力的大小，還能感知力的方向。ExoTendon解決了人工肌肉在力調節方面的不足，增強了人工肌肉中感知與驅動的融合。此外，該方法為下一代具有自我力調節能力的可穿戴機器人提供了實現路徑，將在輔助和康復機器人等領域發揮重要作用。