像穿衣服一样穿上机器人，这事儿真的要实现了。
韩国机械与材料研究院（KIMM）最新研发了一种比头发丝还细4倍的"布料肌肉"，直接织成衣服穿在身上，就能帮助神经肌肉疾病患者重获活动能力。
这种神奇材料的核心是直径仅25微米的形状记忆合金（SMA）线圈，通过自动化编织系统大规模生产。别看它这么轻，10克重的布料肌肉能举起10-15公斤的重物。
更关键的是，研究团队已经用它造出了全球首款服装式可穿戴机器人，重量不到2公斤，能同时辅助肘部、肩部和腰部，让肌肉负担减少40%以上。
在首尔国立大学医院的临床试验中，8名杜氏肌营养不良症患者穿上这种机器人服后，肩关节活动范围提升了57.45%，上肢功能评分提升19.37%。
这项研究已经发表在顶级期刊IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering上。
▍像织布一样"织"出人工肌肉
传统的可穿戴机器人要么用笨重的电机，要么用吵闹的气动装置，不仅重达几十公斤，还限制了关节的自然活动。想要帮助多个关节，就得装更多电机，结果越来越重，越来越复杂。
KIMM团队另辟蹊径，用形状记忆合金制成的超细线圈作为人工肌肉的基础材料。这种合金在通电加热时会收缩，冷却后恢复原状，就像真正的肌肉一样能够伸缩。而且整个过程静音无声，不会像电机那样嗡嗡作响。
但要把这种材料变成实用的人工肌肉，技术挑战相当大。早期版本使用金属芯线，延展性差，很难实现自动化编织。KIMM团队的突破在于用天然纤维替代了金属芯，重新设计了布料肌肉的结构和制造工艺。
改进后的编织机能够连续稳定地大规模生产这种布料肌肉。每根SMA线圈的直径只有25微米，比人类头发丝（约100微米）还要细4倍。研究人员把这些超细线圈编织成束，模仿人体肌肉纤维的排列方式。
研究团队的测试数据显示，当施加16安培电流时，布料肌肉的温度上升到60°C，收缩应变达到39%，能够稳定重复运行。初始长度180毫米的布料肌肉，在负重10公斤时被拉伸到200毫米，通电后收缩至122毫米，位移达78毫米。
为了加快冷却速度，实现连续工作，团队在双层布料肌肉之间加入了12克的冷却风扇。这种设计让每个工作周期缩短到25秒，其中加热3秒，强制风冷22秒。虽然这个速度对健康人来说可能偏慢，但对于肌肉萎缩患者缓慢而费力的动作模式来说，恰到好处。
最关键的是，2000根SMA弹簧束的总重量只有9.6克，却能举起10公斤的重物，举重能力是自身重量的1000倍。当电流增加到17安培时，最大收缩应变甚至能达到43.5%。
▍840克的"隐形"外骨骼
基于这种布料肌肉，KIMM团队开发出了一款仅重840克的肩部辅助外骨骼（包含控制器和电池），这个重量相当于一件普通卫衣。
整个系统的设计充分考虑了日常穿戴的舒适性。背心主体重310克，采用柔软可拉伸的面料制成。布料肌肉沿着前三角肌放置，上端通过拉链连接到背心后颈部，下端固定在上臂袖带上。
为了确保力量传递效果，研究人员在手臂内外侧设计了X形交叉的弹性带固定系统。上臂袖带还通过连接带与前臂袖带相连，有效分散作用力。颈部的海绵垫即使在布料肌肉工作时也能保证舒适性。
控制系统被集成在一个180×95毫米的便携包里，重400克，可以单手携带。用户通过智能手机APP就能无线控制，界面设计得相当简洁，只有两个操作模式按钮和一个语音激活按钮。
在单周期模式下，系统按照预设的PWM占空比和加热时间工作，帮助完成一次抬臂动作后自动放松。保持模式则通过温度反馈控制，让布料肌肉维持在目标温度，持续提供辅助力。比例积分（PI）控制算法确保温度稳定在设定值。
安全性方面做了充分考虑。虽然布料肌肉内部温度可达60°C，但它位于身体背侧，与皮肤隔离。即使在部分接近皮肤的区域，SMA弹簧也被完全包裹在绝缘织物层内。温度超过预设阈值时，系统会自动断电。
最贴心的是，不使用时整套装备可以像普通衣服一样折叠收纳，方便携带和存放。这种设计让它真正成为可以融入日常生活的辅助设备。
▍为肌肉疾病患者带来新希望
真正的考验来自临床试验。8名杜氏肌营养不良症（DMD）患者参与了测试，他们的平均年龄16.38岁，身高158.50厘米，体重66.63公斤，肩部肌力都在3级以下，这意味着他们连抬起手臂都很困难。
实验结果相当亮眼。肩关节外展角度从38.16°提升到60.09°，增幅达57.45%，这个改善具有统计学显著性（p=0.012）。虽然肩关节屈曲角度的提升幅度较小，从50.93°增加到55.34°，但对这些患者来说，每一度的改善都意味着生活质量的提升。
功能评估显示，上肢功能评分（PUL 2.0）从23.88分提升到28.50分，增幅19.37%。方块搬运测试（BBT）中，患者搬运方块的数量从16个增加到18.13个，提升13.28%（p=0.040）。这些数字背后是患者重新获得独立生活能力的希望。
研究团队还设计了三项贴近生活的任务测试。从水瓶喝水的得分从0.63提升到1.13（p=0.046），增幅80%；触摸前额发际线的得分从0.50提升到1.00（p=0.046），增幅100%；把水从瓶子倒入杯子的任务虽然改善不明显，但也有8.33%的提升。
肌电图数据揭示了背后的机制。在喝水任务中，中三角肌的峰值肌电活动降低了31.45%（p=0.047）；在触摸发际线任务中，中三角肌活动降低了22.62%（p=0.048）。这证明外骨骼确实在分担肌肉的工作负荷。
有趣的是，研究还发现躯干肌肉的代偿性激活有所增加。这是因为外骨骼帮助患者获得了更大的手臂活动范围，需要躯干肌肉提供额外的稳定支撑。未来的设计可能需要考虑整合躯干支撑，提供更全面的辅助策略。
安全性评估显示，使用前后患者的血压和心率都保持稳定。只有一名参与者报告轻微肌肉酸痛（疼痛评分2/10），一周内完全恢复。没有出现皮肤问题、肌肉骨骼损伤或其他医疗状况。
KIMM首席研究员朴哲勋博士表示："我们开发的布料肌肉连续量产技术，是可穿戴机器人商业化的关键突破。这项技术将显著改善医疗保健、物流和建筑等领域的生活质量。"
这项由韩国贸易、工业和资源部以及首尔国立大学医院李健熙儿童癌症和罕见病项目资助的研究，不仅展示了技术创新，更重要的是为无数肌肉疾病患者带来了希望。随着自动化生产系统的完善和成本的降低，这种轻如衣物、强如钢铁的"布料肌肉"，或将走进更多家庭，让更多人重新掌控自己的生活。
论文链接:
https://ieeexplore.ieee.org/document/11177570
