仿生通用张力传感人工肌腱(ExoTendon)丝线用于人工肌肉系统

研究背景：

经过数十年的研究，人工肌肉已发展出丝状、平面状以及仿肌肉结构等多种形式，并在可穿戴机器人系统中展现出重要价值。然而，当前大部分人工肌肉仍不具备类似骨骼肌肌腱中高尔基腱器那样的力感知功能，因而难以实现自主力调控。这一不足制约了其在需要精确力控制的应用场景中的使用。要使人工肌肉具备自主力调节能力，主要面临两方面的挑战。首先，对于丝状人工肌肉，其本身需要配套的丝状传感器；当多根丝状肌肉并联成束以提升输出力时，将产生不切实际的多通道传感需求。而平面型人工肌肉（尤其是在可穿戴装备中）会产生不均匀的张力分布，因此需要沿空间有策略地间隔布置丝状传感器，同样会带来大量传感通道的问题。其次，与近年来许多借助材料大幅形变来产生信号的软应变传感器不同，丝状张力传感器需要具备抗大形变的能力，即在轴向上保持一定的刚性，同时又要在轴向上实现高灵敏度，且其输出不应受其他方向力的干扰。这些要求大大增加了设计难度。上述高拉伸性应变传感器难以在有效传递力的同时完成力感知，因为力会使材料发生伸长形变，而无法沿传感器长度方向将力传递至目标位置，从而降低了整个系统的效率。现有的大多数张力传感技术（如应变片和布拉格光栅）通常依赖于刚性结构，通过检测微小形变来间接估算张力。然而，这类方法并不适合柔性设备，因为缺乏刚性支撑时，传感器自身的形变会破坏测量精度，从而需要在灵敏度与鲁棒性之间做出妥协。另外，间接测量的方式往往需要引入刚性组件，降低了系统的紧凑性，特别是在测量通道数量增多时尤为明显。

研究概述：

为了应对上述挑战，受骨骼肌肌腱中高尔基腱器所具备的负荷感知、高效力传递及自主力调节能力的启发，香港中文大学汤启宇教授团队及香港科技大学（广州）訾云龙教授团队提出了一种名为“外肌腱”（ExoTendon）的结构，如图一所示。当与人工肌肉串联使用时，ExoTendon能够实现与生物肌腱相似的功能。具体而言，ExoTendon基于张力传感丝构建，其工作机理源自摩擦起电与静电感应效应。单根ExoTendon丝具有线性的输入-输出特性，量程与灵敏度可调，同时具备良好的柔韧性、高效力传递能力及稳定的性能，如图二所示。多根ExoTendon丝可无缝地首尾相连，构成单通道的ExoTendon，从而将测力范围扩展至数百牛顿；当与平面型人工肌肉串联时，得益于其优异的线性与低迟滞特性，输出总力直接反映驱动力或人工肌肉施加的合力，不受张力分布变化的影响，如图三所示。ExoTendon解决了长期以来缺乏有效张力测量技术的难题。在人工肌肉驱动的髋关节助力外衣中（如图四所示）的应用验证表明，ExoTendon能够赋予人工肌肉驱动的可穿戴机器人自主力调节能力，这标志着下一代智能可穿戴设备在自主力调控方面的重要突破。

图文导读：

图一：ExoTendon的仿生设计思路 （A）如何在丝线与织物上实现张力感知？人体骨骼肌中的高尔基腱器（GTO）给出了答案。GTO是一种能够感知肌肉负荷的张力本体感受器，与中枢神经系统相连。在结构上，GTO位于骨骼肌与其肌腱之间，以串联方式连接两者。受此启发，ExoTendon丝同样可采用串联形式集成到人工肌肉系统中，模仿GTO的张力感知功能。 （B）GTO由1b型感觉轴突与胶原纤维相互交织而成。当胶原纤维受到牵拉时，轴突受到压缩刺激，产生动作电位，从而传递肌肉张力的变化信号。类似地，ExoTendon可采用双丝结构（蓝色），即一根负极性丝线缠绕在一根正极性丝线上；也可采用三丝结构（灰色），即将正、负极性丝线共同缠绕在一根中心丝线上。在拉伸载荷作用下，ExoTendon丝中螺旋缠绕部分的芯径会收缩，导致整体输出电压下降，进而反映所施加的张力大小。（C）GTO的1b型轴突能够精确检测肌肉张力的动态变化。ExoTendon的归一化模型结果、有限元仿真结果以及实验数据均表明，其输出与输入力之间呈现良好的线性关系。

图二：ExoTendon的原理、制备与表征(A) ExoTendon的工作原理。(B) 可采用高速绕线机制备ExoTendon丝线。(C) 快速制备得到的50米长ExoTendon丝线。(D) 在相同张力下，ExoTendon丝线的输出随其原始长度增加而增大。(E) ExoTendon丝线的测量范围随并联数量成倍增加，而灵敏度保持不变。(F) 当测试频率8 Hz时，ExoTendon丝线的输出不发生变化。(G) ExoTendon丝线的输出随螺距先增加后减小。(H) 四种构型的ExoTendon丝线表现出不同的灵敏度、线性范围和低迟滞性。(I) 四种构型性能比较的雷达图。

图三：ExoTendon 充当多类人工肌肉的力传感肌腱。（A）骨骼肌由肌纤维组成，丝状人工肌肉模仿这种结构以实现收缩功能。ExoTendon 丝线可直接作为力传感肌腱，与丝状人工肌肉串联使用。（B）平面型人工肌肉（如ExoMuscle）同样模仿骨骼肌的动作行为。当其与 ExoTendon 串联时，ExoTendon 即起到力传感肌腱的作用。（C）在总输出力相同的情况下，无论张力在结构内如何分布，ExoTendon 的输出信号均保持一致。（D）即便相同的总张力集中作用于不同部位，ExoTendon 的输出仍然不变。（E）一个包含两个管的平面型人工肌肉 ExoMuscle，可通过收缩提起一个 10 公斤的重物，其上部与ExoTendon 连接。（F）力传感器与经过标定的ExoTendon的输出对比结果。（G）骨骼肌具有多种结构形态，例如平行肌与羽状肌。（H）ExoMuscle 同样可构建为羽状结构，以模拟这种生物特征。双轴 ExoTendon 与 ExoMuscle 相连，不仅能检测输出力的大小，还能识别力的作用方向。（I）三自由度力传感器与双轴 ExoTendon 在力的角度与幅值测量上的对比。

图四：ExoTendon 对人工肌肉驱动的髋关节助力外衣进行辅助力调控。（A）传统方式：使用人工肌肉时未对预紧力进行评估，且采用开环控制策略，无法获知实际辅助力的大小。（B）ExoTendon 与人工肌肉串联连接；当ExoMuscle收缩时，借助ExoTendon的力反馈信号，辅助髋关节完成屈曲动作。（C）基于 ExoTendon 的实现流程：首先，在穿戴人工肌肉的情况下，确定人体上最优的预紧力设定；随后，以 ExoTendon 作为力反馈媒介，在闭环力控制过程中动态调节辅助力，从而稳定、可靠地达到目标辅助力值。（D）当人工肌肉穿戴于人体时，其集总参数模型可描述为：人工肌肉通过一个弹性模量未知的弹性元件与关节相连。（E）在相同输入压力条件下，最大辅助力随着预紧力水平的提高而增大。（F）最大伸展角度则随着预紧力水平的提高而减小。（G）辅助力的控制过程示意图。（H）在优化后的预紧力与可调节的辅助力共同作用下，患侧髋关节的活动范围得以扩大。

总结：

该研究为有效的人工肌肉传感提供了通用的、高性能的解决方案。利用快速的批量生产工艺，可以高效为不同类型人工肌肉提供力传感能力。同时在其他需要将力传感集成至紧凑的线驱应用环境（如手术机器人）中有应用潜力。

参考文献：

Xie, D., Wang, H., Su, Y., Tong, S., Li, X., Liu, M., ...& Tong, R. K. Y. “Filament sensing tension: A bionic artificial tendon for self–force-regulated artificial muscle–driven wearable robotics”. Science Advances, 12(2026).

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