让瘫痪病人重新行走，是康复机器人领域最核心的目标之一。但一个令人头疼的现实是——在人体上开展大规模对照实验，伦理限制极多，神经恢复机制的深层研究更是无从下手。

那换个思路呢？先在老鼠身上搞明白原理。

筑波大学的研究团队最近在国际机器人领域顶级期刊IEEE Robotics and Automation Letters上发表了一项新工作：他们开发了一款基于运动学协同（kinematic synergy）原理的大鼠外骨骼，能同时驱动髋关节、膝关节和踝关节三个关节，让老鼠在四足姿态下完成自然步态。整套穿戴装置仅重约80克，而且具备后驱动性（backdrivability），不会对动物组织造成伤害。

这听起来是个"小"东西，但要解决的工程问题一点不小。

01.

为什么老鼠的踝关节这么重要

过去已有不少团队尝试为大鼠开发步态辅助机器人。Nessler等人做了带直驱电机的后驱动平台，Florez等人用气动软体结构，Song等人做了紧凑型交互式外骨骼允许自由地面行走。但论文指出，这些系统有一个共同问题：没有提供物理踝关节辅助。

对人类而言，踝关节在行走中的活动范围相对有限。但老鼠不一样——它们的踝关节屈伸幅度大得多，而且在产生地面推进力时扮演着更关键的角色。论文在初步实验中也验证了这一点：当不辅助踝关节时，麻醉大鼠松弛的脚掌会被跑步机皮带拖着走，根本无法形成正常步态。

另一个普遍存在的问题是辅助姿态不自然。许多现有系统会将老鼠提升到直立姿态进行训练，但老鼠天生是四足动物，这种非自然姿态下训练出来的步态模式可能是"错误的"，导致训练后评估运动能力时出现偏差。

所以，这个团队给自己定了明确的设计准则：四足姿态下辅助、三关节同步驱动、保持关节间协同、轻量化（不超过体重的1/4）、具备后驱动安全性、能提供足够大的辅助力（最高4N，约为雄性大鼠后肢最大力的80%）。

【外骨骼机构设计原理图和末端执行器工作空间图】
 

02.

一个精巧的2自由度机构，如何驱动三个关节

这套系统的核心创新在于其机械实现的运动学协同。研究团队此前的工作发现，所有完整哺乳动物在行走时，肢体各节段的抬升角度（elevation angles）之间存在一种平面协方差关系——也就是说，大腿、小腿、足部的运动并非独立的，而是被约束在一个低维平面上。这种现象在生物力学中被称为"运动学协同"。

基于这个原理，团队设计了一个组合四杆-五杆机构，仅有2个自由度，却能同时控制髋、膝、踝三个关节的运动。两个输入曲柄角度φ₁和φ₂决定了所有输出关节角度和末端执行器位置。机构的运动被约束在肢体抬升角度的协方差平面内，从而在最少致动器数量的前提下，复现大鼠天然的协调步态。

但2自由度机构本身不是新东西——真正的工程挑战在于把它做得够轻、够小、够有力、还能后驱动。

【线缆驱动系统总览图，包括机构示意图、系统概览、Bowden线缆、不同位置的线缆变形】

解决方案是线缆驱动加外置电机。四台直驱电机被放置在跑步机外侧的致动器单元中，通过不锈钢丝拉线和PTFE管组成的Bowden线缆，将动力传递到老鼠身上佩戴的外骨骼单元。这样一来，穿在动物身上的部分仅有机械框架、线缆末端和一套定制穿戴服，单侧有源外骨骼仅重20克，加上线缆和穿戴服后总重约80克——而实验对象（成年雌性Sprague Dawley大鼠）体重在300-350克之间。

直驱电机的选择也很关键。没有减速器意味着没有不可逆传动，当外力（比如老鼠自己的肌肉力）作用于外骨骼时，力可以直接反向传递到电机转子而不会被齿轮锁死。实验验证表明，在未通电状态下，仅需约0.45N的力就能反向驱动外骨骼，而通电状态下（1.5A电流限制，约产生2N力）也只需2.6N就能克服。考虑到大鼠后肢最大力为5N，这意味着即使在通电辅助状态下，动物仍能凭自身力量"挣脱"机器人的控制——这对实现"按需辅助"的康复策略至关重要。

穿戴方面，团队还设计了一套由氯丁橡胶前身衣、碳纤维尼龙3D打印骨架和弹性硅胶肢体绑带组成的定制穿戴服，既能传递辅助力又不会刚性束缚关节。

【穿戴服设计图】
 

03.

麻醉大鼠在跑步机上"走"起来了

桌面实验已经验证了机构的运动学精度——外骨骼产生的关节角度轨迹与真实大鼠样本数据高度吻合，通过主成分分析量化的关节间协调性指标（PC3向量内积）达到了0.98（满分1.0）。但真正的考验是在活体上。

团队在一只340克的雌性大鼠身上进行了可行性验证实验。大鼠被吸入式麻醉剂（2-3%异氟烷）维持在肢体松弛状态，通过被动体重支撑臂悬挂在跑步机上方，保持脚趾与跑步机皮带的适当接触。电机电流被限制在1.5A以确保安全。

【麻醉大鼠步态周期时间序列照片，标注stance和swing阶段】
 

结果表明，外骨骼成功地对松弛肢体施加了节律性步态模式，频率1.3Hz，相当于115mm/s的步行速度。从视频中提取的运动学数据显示，尽管由于电流限制和大鼠肌肉骨骼系统的机械阻抗，关节角度的幅值与空载轨迹相比存在明显误差，但关节间协调性依然非常强——协方差平面上前两个主成分解释了99%的方差。

【活体实验结果，包括关节角度轨迹、抬升角协方差平面、肢体运动
 

更有意思的是一个"意外"观察：当研究人员在实验后唤醒大鼠时，动物主动推回了外骨骼施加的辅助力——这恰好反向验证了系统后驱动性能的实用性。

论文也坦率地指出了当前工作的局限。首先，尚未实现闭环反馈控制，动物的体重和关节机械阻抗没有被纳入控制回路。其次，仅在麻醉大鼠上进行了测试，对于因神经损伤导致瘫痪的大鼠，肌肉骨骼状态可能不同，踝关节的被动操控还可能触发足部回缩反射。此外，设备对不同体型动物的适应性也尚未评估。

据团队介绍，这是首个在四足姿态下同时主动辅助大鼠三个后肢关节的系统。未来的研究方向将集中在实现按需辅助控制策略，并在活体瘫痪大鼠上开展对照实验，最终目标是建立一个通用的动物实验平台，为人类神经康复提供基础研究支撑。

毕竟，人类的运动神经系统与大鼠之间存在着进化保留下来的共同机制——跨肢体协调、脊髓反射通路、以及整合神经输入和环境反馈的适应性策略。先在老鼠身上跑通，或许是通向人类康复最优策略的一条捷径。

论文地址：https://doi.org/10.1109/LRA.2025.3537858