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北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授、王麗珍教授團(tuán)隊(duì)基于具有本體感受的剛?cè)峄旌蠄?zhí)行器，提出了一種模塊化的壓力再分配坐墊。這款坐墊內(nèi)部配置了呈陣列式排布的剛?cè)峄旌蠄?zhí)行器，它不僅能夠感知交互過程中的作用力大小，更能精準(zhǔn)控制施加給使用者的作用力。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《Advanced Intelligent Systems》中。

1、研究背景

輪椅使用者由于久坐等因素，處于發(fā)生壓瘡的高風(fēng)險(xiǎn)之中。預(yù)防壓瘡的最有效策略是頻繁地改變患者的體位和姿勢，然而這要求護(hù)理人員具備較高的專業(yè)素養(yǎng)，使得大多數(shù)輪椅使用者無法充分執(zhí)行這些壓力重新分配的動作。為了降低壓瘡的風(fēng)險(xiǎn)，采用外部輔助手段來減少壓力的大小和持續(xù)時(shí)間是至關(guān)重要的。然而，當(dāng)前市場上大部分的防壓瘡坐墊都無法根據(jù)用戶的體型和坐姿進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。因此，迫切需要開發(fā)一種能夠檢測界面壓力并可以主動改變形狀和壓力分布的防壓瘡坐墊。

2、研究概述

基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運(yùn)動和電活動

該團(tuán)隊(duì)提出了一款具有本體感受的剛?cè)峄旌蠄?zhí)行器。該執(zhí)行器結(jié)合了剛性材料和柔性材料，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和功能的提升。其中，柔軟的表皮為執(zhí)行器提供了出色的靈活性和安全性，確保在使用過程中不會對用戶造成傷害。而剛性的骨架則起到支撐結(jié)構(gòu)的作用，有效提升了執(zhí)行器的耐久性和控制精度，使其在各種環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的性能。在建立執(zhí)行器準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，引入了飛行時(shí)間傳感器進(jìn)行接觸力測量。這種非接觸式測量方法不僅提高了設(shè)備的耐久性和壽命，還為執(zhí)行器的精確控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。該執(zhí)行器在真空負(fù)壓的驅(qū)動下可產(chǎn)生伸長/收縮運(yùn)動。通過整合眾多的剛?cè)峄旌蠄?zhí)行器模塊，開發(fā)出一款模塊化壓力再分配坐墊。

圖1：a） 模塊化壓力再分配墊 （MPRC） 的結(jié)構(gòu)  b） MPRC和壓力再分配過程的示意圖  c） 本體感覺軟剛混合執(zhí)行器（PSHA）模塊的制造和組裝工藝  d） 制造PSHA模塊  e） 測距傳感器和氣壓傳感器  f） 控制板（圖片來自原文）  

坐墊的設(shè)計(jì)利用了模塊化和分布式控制的原則。這種模塊化方法將系統(tǒng)分解為離散的、功能性的實(shí)體，提供了無縫集成和可互換性，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性以及維護(hù)和修理的便利性。系統(tǒng)內(nèi)部的每個(gè)單獨(dú)的執(zhí)行器都具備通信、傳感、驅(qū)動和控制功能，這種分布式控制的方式使得整個(gè)系統(tǒng)更加智能化和自主化。各個(gè)執(zhí)行器可以獨(dú)立地接收指令并作出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)的控制。每個(gè)執(zhí)行器的獨(dú)立性還使得整個(gè)系統(tǒng)可以輕松地根據(jù)使用場景進(jìn)行個(gè)性化定制，這使得此類型的壓力再分配坐墊成為一種極為用戶友好的選擇。

圖2：a）MPRC 的組成部分  b）控制箱的照片  c）MPRC和控制箱的正面視圖（圖片來自原文） 

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的壓力再分配坐墊可以在不同坐姿（正坐、左傾、右傾、后仰和前傾）、和使用場景下主動的調(diào)節(jié)界面壓力，顯著降低界面壓力的峰值、平均值和梯度值。此款壓力再分配坐墊能夠?qū)崟r(shí)動態(tài)地修改其形狀和接觸力的分布，以響應(yīng)用戶的身體活動，從而系統(tǒng)地重新分配接觸壓力，減輕壓瘡的潛在發(fā)生。該坐墊充分利用了剛?cè)峄旌蠄?zhí)行器的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了壓力的有效再分配，為用戶提供了更加安全和健康的坐姿體驗(yàn)。

圖3：a） 在各種坐姿的力控制激活之前和之后的界面壓力圖  b） PSFA 模塊在各種坐姿的力控制激活前后的接觸力圖（圖片來自原文） 

3、研究意義

這項(xiàng)研究的意義在于，通過這種界面壓力的再分配機(jī)制，能夠避免久坐造成的局部皮膚軟組織長時(shí)間受壓，從而有效預(yù)防壓瘡的發(fā)生，提供了一種富有前景的方法來降低發(fā)生壓瘡風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)研究對于輔助技術(shù)的進(jìn)步具有重要推動作用，有望提高行動不便人群的生活質(zhì)量。

該研究在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助下完成。北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、北京生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心、生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室樊瑜波教授、王麗珍教授為共同通訊作者，彭廣帥博士研究生為第一作者。

參考文獻(xiàn)：

Guangshuai Peng, Lizhen Wang*, Shan Tian, Yubo Fan*.Modular Pressure Redistribution Cushion with Proprioceptive Soft–Rigid Hybrid Actuator. Advanced Intelligent Systems.doi:10.1002/aisy.202300422