柔软的仿生动力裤可以帮助我们走上楼梯

“仿生”一词让人联想到科幻小说中的幻想。但事实上，仿生系统——工程学和机器人技术与生物学（人体）的结合——正在成为现实。

年纪大了，脚步不稳了？你需要仿生外骨骼。爬楼梯有困难？试试仿生动力裤。让这些仿生系统无处不在的最大挑战是我们想要在各种各样的情况下使用它们，以及人类行为和人体的巨大差异。目前根本没有一刀切的解决方案。

因此，仿生未来的关键是适应性：我们需要制造能够适应环境和我们自身的仿生设备。要做到这一点，我们需要结合三种重要技术：传感、计算和驱动。

感知可以通过使用传感器直接记录大脑、神经和肌肉活动，以及使用加速度计等间接测量肢体运动的身体设备来实现。然后，计算机将这些信息与人类行为模型（通常根据用户如何运动的个人信息量身定制）联系起来，并预测用户即将发起的运动。在最后阶段，计算机系统使用这些预测将能量转移到一组动力执行器。这个驱动步骤提供所需的帮助和支持，不断适应我们不断变化的身体和不断变化的环境。

目前，大多数仿生辅助设备都是由金属和塑料等刚性材料制成，并由传统的电机和变速箱驱动。这些技术已经很成熟，但它们的硬度和刚性可能是一个很大的缺点。在自然界中，肌肉和皮肤等软质材料占主导地位，而作为人类，我们会在软质材料中找到舒适感，例如牵手或坐在沙发上。

仿生喇叭裤的软机器人

新型“软机器人”技术正在兴起，有望克服传统刚性仿生学的局限性。顾名思义，这些系统采用柔软、柔顺的材料，可以更自然地与人体配合。它们不使用刚性金属和塑料，而是使用弹性材料、橡胶和凝胶。它们不使用电机和变速箱，而是使用智能材料驱动，这些材料在受到刺激（例如电刺激）时会弯曲、扭转和拉伸。

这些智能材料可以模仿生物肌肉的收缩，通常被称为“人造肌肉”。凭借这些进步，我们现在能够创造出全新的自适应仿生设备，用于辅助和康复，包括智能仿生裤。

工程和物理科学研究委员会最近宣布投资 530 万英镑用于下一代自适应仿生设备的研究。其中包括资助开发软机器人智能裤子，以帮助残疾人和老年人保持行动能力和独立性。

智能裤子项目是布里斯托尔大学、利兹大学、诺丁汉大学、南安普顿大学、斯特拉斯克莱德大学、拉夫堡大学和英格兰西部大学之间的一项重要合作，其目标是展示全自动智能服装的可行性。智能裤子能够监测穿着者的意图，并在需要时自动提供动力辅助，例如从椅子上起身或爬楼梯时。

当然，这不仅仅是一项技术练习。软机器人服装需要舒适、易于穿戴、卫生且时尚。这些都是需要最终用户直接投入的重要考虑因素，该项目将在整个过程中与目标最终用户和临床专家密切协商。

智能裤子的未来可能在于与人体更加紧密的结合。通过在皮肤下植入直接监测神经信号的传感器，可以测量有关用户意图的更精确信息。这将使未来的设备与穿着者建立更自然的关系。

维也纳医科大学最近的研究展示了这种方法的潜力，三名手部严重受伤的患者自愿截肢，换上由他们自己的神经信号控制的功能性假手。然后他们能够比移植前对日常物品进行更复杂的操作。

这些令人兴奋的新技术有望开启软体机器人可穿戴仿生设备的新时代，这些设备可以与我们脆弱的人体协调工作并适应人体进行辅助和康复。

乔纳森·罗西特 (Jonathan Rossiter) 是布里斯托大学工程数学系的成员，也是软体机器人小组的负责人。

本文最初发表于 The Conversation。阅读原文。