Exosuits肌肉控制给更多人带来新的希望

WYSS CENTER FOR BIO AND NEUROENGINEERING

Exosuits（外骨骼套装）是一种很有前途的技术，它仍然面临着巨大的挑战。Exosuits是帮助使用者移动身体的辅助框架。具体来说，使用电脉冲移动用户肌肉的Exosuits会很快使用户疲劳。到目前为止，疲劳问题还没有一个巧妙的解决方案，但一个国际科学家小组正在开发一种新的Exosuits，旨在通过可控的硬化材料系统来解决疲劳问题。

这组技术是韩国和瑞士的研究人员和工程师的创意，用于开发一种动力外骨骼设备，该团队称之为Synapsuit（https://wysscenter.ch/advances/synapsuit）。他们的系统旨在避免长时间肌肉刺激引起的疲劳，这项技术也被称为功能性电刺激（FES，unctional electrical stimulation，https://mstrust.org.uk/a-z/functional-electrical-stimulation-fes）。

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由于FES易于实施且成本低廉，不需要侵入性手术，因此它仍然是辅助技术方向一个非常有吸引力的工具。FES目前用于物理治疗（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7245767/）和康复（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7364342/），但事实证明，用力移动使用者身体所需的电流对肌肉来说太累了，无法长期使用。

研究人员表示，静电离合器技术是该系统设计的关键组成部分，目前正由韩国电子技术研究所（KETI，Korea Electronics Technology Institute）进行原型设计。

日内瓦Wyss生物与神经工程中心的机器学习科学家、Synapsuit项目的首席研究员Kyuhwa Lee说，这种疲劳使人们很难全天使用FES系统：“它不能长期使用。为了解决疲劳的问题疲，我们使用了静电离合器系统，这样用户就可以保持固定的位置。”

什么是静电离合器？

研究人员表示，Synapsuit的静电离合器系统旨在将用户的关节固定在FES驱动的运动之间。离合器本身是重量轻、灵活的袖子一般，放置在用户的肘部、手腕和指关节周围。这些袖子通常像布一样柔软，但可以快速加固，以支撑它们在运动之间包裹的关节，从而消除了仅仅为了固定关节而持续刺激用户肌肉的需要。

当电压施加到袖子内重叠材料层内的柔性导电板上时，离合器变硬。“这就像一个电容器，”Lee说，“当你施加电压时，这些材料会相互拉动，产生很大的摩擦。”Lee表示，这之间的电力会以足够的力将它们锁定在适当的位置，以支撑高达2公斤的负载。当电势降低时，层之间的力消失，离合器恢复到柔性状态。

在肌肉刺激和锁定离合器之间协调需要精细而小心的控制——这正是Synapsuit的设计师希望能够为其系统所提供的支持。

北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授Nitin Sharma没有参与这项研究，他对此表示，虽然他看到了Synapsuit技术的希望，但他也看到了很大的改进空间。

“这当然是个聪明的主意，”他谈到离合器技术时说，“他们还没有展示静电离合器和电刺激是如何协同工作的。我认为它对减少FES的疲劳有好处，但它将如何用于步进或伸手等协同控制尚不清楚。我不认为离合器能做到这一点，它或只用于位置保持。”

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Synapsuit的下一步是什么？

在改进静电离合器的同时，另一个团队正在开发神经电极，以最终用于控制Synapsuit。

研究人员表示，这些电极由总部位于日内瓦的Neurosoft Bioelectronics公司开发，现在由新型弹性材料制成，可以适应大脑块状的脊和折叠。这使它们与其他这种类型的电极不同，这些电极相对较硬，无法测量大脑大部分高度褶皱表面的神经活动。

Neurosoft首席执行官Nicolas Vachicouras表示，其阵列由高度柔性的硅树脂制成，采用半导体行业的旋涂技术（https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating）。硅树脂和柔性导电材料一层一层地沉积在硅片上，使用的自动化工艺与用于创建微处理器精细结构的工艺非常相似。Vachicouras说：“我们没有重新发明新设备，我们只是借用了通常用于其他用途的设备。”

阵列中的导电迹线也被设计成弯曲和拉伸，由“微裂纹金（microcracked gold）”制成，这种材料在弯曲变形时保持导电性和稳定的电气特性。Vachicouras说，该团队采用了为柔性显示系统开发的制造工艺中的部分电极。Vachicouras表示：“你永远不知道一项技术最终会走向何方。”

不过，目前还不能指望很快就能穿上Synapsuit：虽然Neurosoft已经开始人体试验来测试该系统的柔性神经电极，但控制Synapsuite所需的KETI静电离合器和神经解码软件仍然是原型。尽管如此，Lee表示，他预计整个项目将在2026年前生产出一个功能齐全的Synapsuit系统。