輕盈充氣「肌肉」驅動的全新軟性機器人外骨骼

提到「機器人外骨骼」，你可能會聯想到金屬、堅硬且帶有鉸鏈的裝置，例如鋼鐵人的戰甲，或是出現在螢幕、電玩甚至紅毯上的各種類似裝備。然而，美國聖母大學的研究團隊正在探索機器人技術的「軟性」面向，並證明其在許多實際應用中的價值。

「軟性外骨骼能解決多項工程挑戰，」瑪格麗特·科德（Margaret Coad）解釋道。她的實驗室最近在《IEEE醫學機器人與仿生學》期刊上發表了一篇關於軟性機器人外骨骼的論文，該設計專為手腕量身打造。「外骨骼設計中的一個關鍵問題是如何避免身體與裝置之間的錯位，」她說，「軟性外骨骼比堅硬版本更容易處理這個問題。我們的設計展示了軟性致動器如何取代傳統馬達，打造出極輕量且舒適的可穿戴裝置。」

科德是航空與機械工程系的助理教授，她與博士生卡塔琳·謝弗（Katalin Schäffer）共同開發了這項設計。他們的原型機採用了四個軟性致動器，分別位於手腕的前後及兩側。這些致動器充氣後的外觀類似於用於扭轉成動物形狀的造型氣球，但科德的致動器並非由橡膠製成，而是由極其堅固且精密編織的氣密尼龍布料製成。每個致動器從前臂的固定點延伸至手指下方的手部位置。

透過精確控制的充氣與放氣，這些軟性致動器像肌肉一樣收緊與放鬆。當每個致動器充滿空氣（彎曲）時，它會將手腕拉向自己；當放氣（放鬆）時，則允許手腕遠離。一款客製化的軟體程式協調這些「肌肉」之間的互動，使手腕能在全方位的支撐下自由活動。

在論文發表後，科德和謝弗立即前往華盛頓特區，在參議院機器人展示日上展示了他們的原型機。科德表示，她很自豪能將軟性機器人的概念帶入當天的演示中。「軟性機器人讓我們重新思考機器人的身體應該是什麼樣子，」她說，「它幫助我們透過新材料和機制來擴充套件機器人的能力，創造出運動與力量。」

科德指出，除了避免重量、堅硬性和關節錯位帶來的不適，軟性外骨骼還有一個額外優勢：它們往往成本低廉。現有的上肢外骨骼價格高達數萬美元，而這款外骨骼的可穿戴部分材料成本僅為134美元，不包括外部元件和壓縮空氣源。

低成本設計至關重要，科德表示，因為它能更快地讓更多人享受到機器人外骨骼的好處。這對首批受益於新設計的群體之一——中風患者來說尤其如此。謝弗正在探索這款裝置如何幫助他們進行復健並擴大活動範圍。這款裝置的經濟性與便攜性意味著，中風患者可能可以在家中使用，而不必前往治療機構。

科德和謝弗表示，他們最初專注於手腕的設計是一個試驗場，但他們正在開發針對身體其他部位的新設計。他們設想這款裝置可用於緩解痠痛或僵硬，並補充傳統的職能治療。此外，它還能協助重複性動作甚至舉重。

正如科德所說：「這種型別的肌肉不僅輕盈、耐用且可折疊，它還能在輸入時迅速產生驚人的力量。我們仍在探索這項技術所帶來的所有應用與好處。」