有這樣一雙“手套”，戴上它，穿戴者秒變大力士，雙手可以翻起200多公斤的石板，雙手“吊單杠”時間翻倍，手提重物行走疲勞感大大減輕……
這款黑科技機械手套正是中國科學技術大學特任教授孫帥帥課題組與合作者，聯合研發的一種基于磁流變技術的手部外骨骼系統，能夠極大增強人體手部抓握耐力與抓握力，有望應用在地震救援、物流搬運、工業生產等場景。
基于磁流變技術的手部外骨骼系統。中國科大供圖磁流變手部外骨骼系統穿戴圖。中國科大供圖
用小功耗獲得大力量
靈活的雙手在人類發展中起到至關重要的作用。然而，在救援、搬運等應用場景中，雙手不僅要足夠靈活，還需要足夠力量，以支撐長時間、高負載的工作。
近幾十年來，隨著機器人技術、材料科學等領域的發展，研究人員有望能夠研發像“鋼鐵俠”機甲一樣的可穿戴外骨骼，利用機械結構及致動器共同作用給予人手助力，從而增強人手功能表現，大幅提升人類極限，其中手部外骨骼是研究熱點之一。
“實際上，目前學術界與企業界已出現多種手部外骨骼，主要是用于輔助中風、偏癱患者康復的。它們往往是基于電機、液壓致動，又或是采用氣動技術。”孫帥帥介紹，這些致動器普遍存在著輸出力小、體積大和重量大等問題，難以解決大幅增強手部抓握耐力和抓握力的難題。
因此，面對大負載場景，手部外骨骼的難點是研發一種體積小、輕量便攜，但又輸出力大、背驅能力好的致動器。
孫帥帥團隊利用磁流變智能材料模量可調的特性，創新地設計了基于磁流變軸承和滾珠絲桿結構的被動致動器，用在僅需5瓦功耗下實現了最高1046牛的大輸出力，力-功率比相較其他方案提升一個數量級，在同樣輸出力下節省了97.7%的能量消耗。
“也就是說，我們用很小的功耗得到了很大的力。”孫帥帥解釋道，這意味著磁流變手部外骨骼的續航時間相較于普通外骨骼系統能夠大幅提升。
磁流變智能材料“顯神通”
在中國科大人形機器人研究院實驗室，記者見到了這款黑科技。別看它體積小，背后也是一個系統工程。
論文第一作者、中國科大博士生麥賢龍介紹，“這款手部外骨骼系統主要分為外骨骼、磁流變致動器、指尖力傳感器和控制背包幾個部分。它的工作原理是將外界的負載轉移至外骨骼，通過調節磁流變致動器的輸出力，做到在大負載時外骨骼具有大承載能力，即變‘硬’，而在不需要助力時，手套會變‘軟’，幾乎不會影響手指的靈活運動。同時，我們發現這種結構還可以通過飛輪儲能，在不需要任何外部動力源的情況下，增強穿戴者的瞬時抓握力。”
這款手套“軟硬”可控的奧秘在于磁流變致動器中使用的磁流變智能材料。
“磁流變是一種獨特的智能材料，其性能在磁場的作用下會發生顯著變化。在沒有磁場的情況下，這種材料像脂一樣具有較好的流動性；當加了磁場后，材料就會變成半固體。”孫帥帥一邊展示一邊向記者解釋，正是基于這種特性，將其應用在手部外骨骼系統上，可實現手套的“軟硬”可控。
為了驗證手套性能，研究團隊首先進行了長時間提拉重物的實驗。通過測量穿戴與不穿戴手套受試者前臂的肌電信號，團隊發現前者的表面肌電信號顯著降低，表明肌肉收縮力減弱，疲勞程度減輕。此外，團隊還進行了“吊單杠”實驗，測試結果顯示穿戴手套的參與者堅持時間增加了一倍。
在握力增強實驗中，受試者分別使用和不使用手套進行快速抓握。結果顯示穿戴手套時，平均握力增加85.8牛，比不使用高出41.8%。
此外，研究團隊注意到在地震救援中，現場環境復雜，很多設備難以進場，多依靠救援人員徒手清理重物，因此他們還進行了地震救援模擬應用實驗。
在營救被壓人員和運送傷員的任務中，受試者指屈肌的肌電信號幅度均大幅減小，這意味著控制手指抓握的肌肉活動度大幅降低。在運送傷員任務中，受試者呼吸率相較無外骨骼情況平均降低了20%，最大運送距離提升了110%。
除了以上常見的應用場景，孫帥帥還介紹了一種令人興奮的場景——主端從端的遙操作。
“我們可以利用磁流變材料的阻尼特性，設計能夠提供力反饋的手部外骨骼和手臂外骨骼，同時結合關節運動捕捉，可以實現遠程機械臂、機械手的遙操作，并同時提供真實的力反饋，以進行深空探測作業。”孫帥帥說。
研發更智能與舒適的新一代手套
“接下來，我們將進一步提升手部外骨骼系統功能。比如，加入人體意圖識別的功能，更精準地根據穿戴者意圖調整外骨骼的輸出。同時，我們希望改進外骨骼的結構，利用復合材料和3D打印技術在減輕重量的同時增加結構強度。此外，還希望改進人機交互設計，使外骨骼滿足人手運動的大部分自由度，減少與人手之間的滑移與不舒適感。”孫帥帥表示。
據了解，《IEEE機器人學匯刊》為機器人學領域公認的國際頂級期刊之一，要求論文在理論及工程實踐上均能為機器人學發展做出重要貢獻，其每年全球發文量約200篇，接收率極低，刊發的相關成果代表了機器人領域先進的重大進展。
相關論文信息：https://ieeexplore.ieee.org/document/11080110
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