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風濕患者的日常抓握困境，或許將被這一創(chuàng)新手套所改變。北京航空航天大學文力教授團隊近期在Advanced Science期刊發(fā)表的研究成果，為那些飽受風濕性疾病困擾的患者帶來了新的希望。

 

這款創(chuàng)新手套不依賴傳統(tǒng)外骨骼的機械驅(qū)動，而是巧妙利用熱響應離子凝膠的粘附特性，使患者能夠輕松抓起各種物品。更重要的是，整套系統(tǒng)僅重47克，讓輔助設(shè)備的便攜性提升到了新高度。

 

圖1. 系統(tǒng)概述。a） 示意圖顯示了帶有軟可切換粘合劑的便攜式抓握輔助手套的整體配置和應用。b） 一名患有手部損傷的風濕性患者使用手套執(zhí)行ADL任務(wù)的代表性圖像，包括下棋、拿起學生卡和拿瓶子喝水。

 

風濕患者的"巨大需求"

 

風濕性疾病是一組主要影響肌肉骨骼系統(tǒng)的慢性自身免疫性疾病，包括類風濕性關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等。這些疾病影響著全球約5%的人口，且近年來發(fā)病率和患病率都在上升。

 

如果不能及時治療，類風濕性關(guān)節(jié)炎和強直性脊柱炎等疾病會導致高達75%和37%的患者出現(xiàn)關(guān)節(jié)畸形，從而導致殘疾和勞動力損失。其中，周圍神經(jīng)病變是一種常見并發(fā)癥，發(fā)生在高達50%的類風濕性關(guān)節(jié)炎患者身上，嚴重限制了患者的日常生活能力。

 

針對這一問題，科研人員一直在探索手部輔助可穿戴機器人的開發(fā)。傳統(tǒng)解決方案主要分為兩類：剛性可穿戴手外骨骼和軟性可穿戴輔助手套。剛性手外骨骼通常體積龐大且沉重，由電機驅(qū)動的剛性連桿機構(gòu)組成。而且因為外骨骼的剛性關(guān)節(jié)和自然手指關(guān)節(jié)之間的錯位，經(jīng)常導致使用者受傷。

 

軟性可穿戴輔助手套雖然提供了更輕的重量和更高的安全性，但仍需要外部硬件（如泵+管、電機+電纜）來驅(qū)動，使整個系統(tǒng)變得復雜沉重。更關(guān)鍵的是，這些設(shè)備的工作原理涉及施加外力使手指圍繞物體彎曲，這對于患有關(guān)節(jié)炎等疾病的人來說可能會引起不適或疼痛。

 

在傳統(tǒng)輔助設(shè)備面臨諸多局限的情況下，北航文力教授團隊轉(zhuǎn)向自然界尋找靈感，并最終開發(fā)出了這款基于粘附原理的智能手套。

 

向自然學習：手生物啟發(fā)的粘附抓握

 

自然界中，生物的抓握機制主要依賴于三種基本原理：機械聯(lián)鎖、摩擦和粘附。人類的手主要依靠前兩種機制，而章魚、樹蛙和壁虎等生物則利用粘附力進行抓握。

 

基于粘附的抓取只需要最小的預載荷就能產(chǎn)生顯著的粘附力，從而消除了抓取和操縱物體時需要相當大的閉合力。此外，由于粘附力垂直于物體表面，因此可以采用額外的處理策略，例如單點抓取，這是基于機械聯(lián)鎖和摩擦的人手無法實現(xiàn)的。

 

這些特性理論上可以使手部殘疾患者實現(xiàn)簡化的抓握過程和更高的提升力，而不需要手指上的外部驅(qū)動力?；谶@一思路，北航團隊設(shè)計了一款基于熱響應離子凝膠的輕便、便攜、柔軟、可穿戴的粘性手套，旨在增強風濕患者的抓握功能。

圖2. 便攜式抓握輔助手套的整體設(shè)計，帶有可切換的軟粘合劑。a） 所提出的可穿戴粘性手套的側(cè)視圖。b） 帕爾馬提出了可穿戴粘性手套的觀點。c） 全集成電子系統(tǒng)的光學圖像。d） FPCB的照片。白色虛線框表示主要集成電路元件的位置。1.FPC連接器。2.NMOS晶體管。3.IMU。4.單片機。5.LDO。6.3.7 V鋰聚合物電池。7.開關(guān)。8.藍牙。9.LED。10.模擬開關(guān)。e） 所提出的機器人手套的電子系統(tǒng)的框圖。f） 各種可穿戴輔助手套的控制界面和系統(tǒng)重量的比較。所提出的柔軟可穿戴粘性手套具有免提控制界面和最輕的系統(tǒng)重量（47克）。

 

這款手套的核心是一種離子凝膠，在25°C下表現(xiàn)出高粘附性（對各種材料的粘附力約35 kPa），而在45°C下則顯示出低粘附性（約6.8 kPa）。通過嵌入式柔性加熱器和溫度傳感器對離子凝膠的溫度進行閉環(huán)控制，手套能夠提供可編程的粘合能力。在4V電壓下，僅需4秒就能實現(xiàn)從高粘附到低粘附的快速切換。

 

更巧妙的是，該系統(tǒng)還配備了基于慣性測量單元(IMU)的免提控制界面，能夠檢測用戶的釋放意圖，便于輕松直觀地拆卸物品。整個手套系統(tǒng)僅重47克，比現(xiàn)有的輔助手套輕7.2倍，大大提高了便攜性和使用舒適度。

 

熱響應離子凝膠：可切換粘附力的秘密

 

這款手套的核心創(chuàng)新在于使用熱響應離子凝膠作為粘附材料。該凝膠在不同溫度下表現(xiàn)出顯著不同的粘附特性，是實現(xiàn)可控抓握的關(guān)鍵。

 

研究團隊設(shè)計的離子凝膠在室溫（25°C）下呈現(xiàn)高粘附狀態(tài)，能夠輕松粘附各種材料表面。而當溫度升高到45°C時，凝膠的粘附力顯著降低，實現(xiàn)了對物體的釋放。

圖3. 具有可切換粘附力的熱響應離子凝膠的設(shè)計、機理和表征。a） 具有可切換粘附力的熱響應離子凝膠的擬議機制。左圖：25°C下離子凝膠盤的照片和離子凝膠表面的光學顯微鏡圖像。中間：顯示離子凝膠的熱響應粘附切換機制的示意圖。右圖：45°C下離子凝膠盤的照片和離子凝膠表面的光學顯微鏡圖像。b） 具有60、65和70重量%的離子凝膠的溫度依賴性粘附強度PBA含量對玻璃基板的影響。c） 65重量%的離子凝膠的粘附強度PBA含量在不同溫度下對各種基材的影響。d） 離子凝膠在25至45°C之間對玻璃基板的循環(huán)粘附試驗。e） 接觸時間對離子凝膠在高溫和低溫下對玻璃基板的粘附強度的影響。f） 預加載對離子凝膠在高溫和低溫下與玻璃基板粘附強度的影響。g） 離子凝膠的熱響應粘附切換可在各種基材上使用。

 

智能控制系統(tǒng)：溫度監(jiān)測與意圖檢測的結(jié)合

 

要實現(xiàn)真正實用的輔助手套，僅有好的材料是不夠的，還需要精確的控制系統(tǒng)。北航團隊在這方面也做了創(chuàng)新設(shè)計。

 

手套中的粘合墊集成了柔性加熱器和溫度傳感器，形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過PID控制算法，系統(tǒng)能夠精確控制粘合墊的溫度，使其在需要抓握時保持低溫高粘附狀態(tài)，需要釋放時快速升溫至低粘附狀態(tài)。

 

研究顯示，在4V電壓下，粘合墊可以在4秒內(nèi)實現(xiàn)從高粘附到低粘附的快速切換。即使在彎曲和扭曲狀態(tài)下，這些智能粘合墊仍能保持良好的加熱和溫度監(jiān)測性能，這對于適應手指的復雜動作至關(guān)重要。

 

圖4. 智能粘合墊，內(nèi)置柔性加熱器和原位溫度傳感器。a） 智能粘合墊制造步驟示意圖。b） 智能膠墊的光學圖像和紅外攝像頭圖像。c） 智能粘合墊在彎曲和扭曲下的照片。d） 通過原位溫度傳感器和紅外攝像頭在不同施加電壓（1、2、3和4 V）下測量的智能粘合墊的溫度變化?，F(xiàn)場溫度傳感器記錄的溫度軌跡（實線）與紅外圖像（虛線）中的數(shù)據(jù)非常一致。e） 在各種電壓下從室溫加熱到45°C期間，使用和不使用導熱硅的原位溫度傳感器與紅外攝像頭之間的最大溫度誤差。f） 智能粘合墊在不同施加電壓下通過柔性加熱器從室溫（25°C）加熱到45°C所需的加熱時間。g） 智能粘合墊的隨時間變化的溫度分布，由PID控制器在環(huán)境溫度（25°C）下逐步調(diào)節(jié)溫度。h） 閉環(huán)溫度控制的PID控制方案。

 

除了溫度控制外，系統(tǒng)還基于IMU的免提控制接口進行手釋放意圖檢測。當用戶連續(xù)兩次伸展和彎曲小指時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)分離過程。

 

這種免提控制接口極大地簡化了使用過程，使患者能夠直觀地控制手套，無需額外的操作界面或復雜的學習過程。測試表明，即使在高速運動（高達800°/s的轉(zhuǎn)速）下，IMU測量的角度仍保持較高的準確性，確保了手勢識別的可靠性。

圖5. 通過基于IMU的免提控制接口進行手釋放意圖檢測。a） 小指的IMU方向和關(guān)節(jié)角度。b） 分離觸發(fā)機制。小指連續(xù)兩次伸展和彎曲會觸發(fā)分離。c） 用于檢測用戶意圖的數(shù)據(jù)處理步驟的示意流程圖。d） IMU估計角度和地面真實靜態(tài)角度之間的RMSE。e） 在兩個IMU都固定在90°角并以100°/s的角速度圍繞x、y和z軸旋轉(zhuǎn)的條件下，參考角度和測量角度之間的RMSE。f）伺服電機提供的參考角度和IMU在200、400和800°/s的轉(zhuǎn)速下測量的參考角度之間的RM SE。

 

臨床驗證：重獲日常生活能力

 

理論和實驗室測試之外，這款手套的真正價值體現(xiàn)在對風濕患者的實際幫助上。

 

研究團隊邀請風濕性疾病患者測試這款輔助手套，結(jié)果令人振奮。在沒有手套輔助的情況下，受試患者無法完成許多基本日常任務(wù)，如拿起水瓶、拾取硬幣、下棋等。而在佩戴手套后，這些任務(wù)都能夠順利完成。

 

以飲水任務(wù)為例，在沒有手套幫助的情況下，患者完全無法抓握水瓶。而在手套的輔助下，患者能夠抓起水瓶，喝水，然后通過簡單的小指動作觸發(fā)釋放功能，將水瓶放回桌面。

 

圖6. 風濕患者在沒有手套的情況下和在手套的幫助下完成飲酒任務(wù)的示例。a） 選定的快照圖像顯示，如果沒有手套的幫助，患者無法拿起水瓶。b） 演示患者在手套的幫助下抓握、提起、飲水和釋放水瓶。下面的曲線顯示了在此過程中小指角度和其他手指智能粘合墊溫度的實時測量值。

 

圖7. 風濕性疾病患者在無輔助（無手套）和輔助（有手套）條件下執(zhí)行的不同模擬ADL任務(wù)。a） 拿起一枚硬幣，把它放進一個錢罐里。b） 下棋殺死對手。c） 拿起一把金屬勺子，把它放進餐具架里。d） 抓住瓶子，用吸管喝瓶子里的果汁，然后把它放回桌子上。抓住各種不同形狀和大小的物品并將其放入儲物盒中：e）學生卡，f）壘球，g）金屬盒，h）手機。沒有手套的幫助，受試者無法完成任務(wù)，而在手套的幫助下，受試器可以完成任務(wù)。

 

研究還測試了多種不同形狀和大小的物品，包括學生卡、壘球、金屬盒和手機等。結(jié)果顯示，這款手套對各種物體都表現(xiàn)出良好的抓握能力，大大拓展了患者的活動范圍。

 

這項研究為風濕性疾病患者提供了一種全新的輔助解決方案，不僅技術(shù)創(chuàng)新，而且切實解決了患者的實際需求。隨著進一步的優(yōu)化和推廣，這款熱響應離子凝膠粘合手套有望幫助更多手功能障礙患者重獲日常生活的獨立性。