总重只有1.15公斤、0.2秒可充气、髋关节能多得到13.5%-18.7%的额外助力。这不是健身黑科技，而是一台能穿在身上的软体外骨骼。

全球老龄化正在加速，到2050年，65岁以上人口将占总人口的16%。走路，这件年轻人觉得理所当然的事，对很多老人来说却成了一种挣扎。双腿发软、关节僵硬、上个台阶要扶墙，走不了多远就得坐下歇一歇。

传统的刚性外骨骼太沉、太僵、太像把人塞进机器人里。于是，中国科研团队换了个思路，不做钢铁侠，改做软肌肉。他们把TPU织物做成气囊，排成一列，充气后互相挤压、弯曲，像一组充气的“肌肉束”一样，推着大腿向前迈步，辅助走路，

这项研究于近日发表在人机系统领域顶刊《IEEE Transactions on Human-Machine Systems》上，由浙江工业大学牵头，联合中国计量大学、哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学、澳大利亚堪培拉大学共同完成。

01.

刚性外骨骼的尴尬：绑着铁架子走路

先说说现有的刚性外骨骼。这类设备看起来很科幻，金属关节、电机驱动、绑在腿上，像《流浪地球》里的外骨骼装甲。

但实际用起来，还有很多缺陷。

首先就是重量问题，太沉。设备本身好几公斤，老人本来就腿软，再拖个铁架子，更累。其次就是关节对不齐。机器关节和人体关节很难完美重合，走路时别扭不说，还可能伤到膝盖。还有自由度少的问题。只能做几个固定动作，老人想自然摆腿，有点难实现。

说白了，刚性外骨骼更像把老人塞进一台机器，而不是给老人一双更舒服的腿。于是，研究团队把目光投向了软体机器人。他们选择用柔性材料做执行器，像肌肉一样柔软、轻便、贴合身体。

02.

软体外骨骼的核心：气囊阵列如何变成“助力肌肉”

研究团队设计的核心部件，叫软体阵列执行器。通俗讲，就是一组用织物气囊拼成的“肌肉束”。

原理很直观，用TPU（热塑性聚氨酯）织物做成一个个小气囊，排成一列，固定在一条不可膨胀的基底上。

气囊分两种。一种是条形气囊，充气后会膨胀成圆柱形，像一根根香肠，相邻气囊膨胀时会互相挤压，产生推力。一种是L形气囊：放在两端，起支撑和定位作用，保证推力方向一致。

软阵列执行器的机构与工作原理。(a) 软阵列执行器示意图。(b) 软阵列执行器原型装置。(c) L形气囊示意图及样品原型装置。(d) 条状气囊的示意图、样品原型及工作原理。

当所有气囊充气，它们会像多米诺骨牌一样依次膨胀、互相推挤，最终让整个执行器弯曲，并把弯曲的力传递到末端，也就是老人大腿的位置。简单说，就是充气→气囊膨胀→阵列弯曲→推动大腿的过程。

而且，这些气囊是织物做的，没充气时软塌塌一片，可以折叠、卷起来，像一件衣服。充气后又能撑出足够的力量。

最关键的是，整台软体外骨骼没有任何刚性零件。这意味着穿在身上几乎感觉不到异物感，甚至能藏在日常裤子里。

软阵列执行器运行过程中的受力分析。(a) 人体及大腿节段与软阵列 执行器的运动学示意图。(b) 执行器在辅助大腿运动时的受力分析

03.

数据说话：0.2秒充气，输出力超50牛

光说原理不够，实测数据也很理想。

研究团队同步研发完成该软阵列执行器的原型装置，由软阵列执行器、束带、绑带及紧身裤组成。组件均采用弹性亲肤纤维制成，可有效降低因过紧或过敏导致的不适风险。这些部件通过魔术贴固定在不可膨胀基座上，适用于不同体型的穿戴者。由于设计中未采用刚性构件，这款软体机器人外骨骼的总重量仅约1.15公斤。

他们这个原型机做了大量实验，结果相当亮眼：

充放气速度：对执行器在不同气压下的阶跃响应进行测试，发现从5kPa到100kPa工作气压，只需0.2秒；完全放气也只要0.48秒。这个响应速度完全跟得上老人慢速步态，不会机器人卡顿。

输出力：把原型装置佩戴在人形体模型上，在100kPa气压下，末端能产生53.7–55.7牛顿的推力，相当于帮老人省掉了5.5公斤重的感觉。

助力扭矩：作用到髋关节运动，以上推动力能提供8.1-11.2N·m的额外扭矩。这个扭矩是什么概念？研究团队测量了自然步态下老年人髋关节的最大扭矩（约60N·m），他们的软体外骨骼能提供13.5%–18.7%的补充助力。相较于人体髋关节最大扭矩10%的要求，超额完成任务。

机械性能测试平台及配备软阵列执行器的机器人外骨骼原型装置 

而且，他们建立了完整的理论模型。运动学、接触力、输出扭矩、动力学，全都用公式推导了一遍，然后和实验结果对比，吻合度很高。这说明这套软体外骨骼的行为是可预测、可控的。

现在整体通过一组对比数据，可以直接看到它比传统外骨骼强在哪？

重量轻、穿着舒服、助力不打折，可更加有力为行动不便的老年人提供持续稳定的步态辅助。

04.

现在还差什么？

当然，这篇论文也诚实交代了当前局限。

首先是气源问题，实验用的是外接空气压缩机，又大又吵。未来会集成一个2.5公斤的微型气泵，别在腰带上。

其次是控制非线性，由于TPU材料本身有弹性滞后，输出力不是完美的线性关系。团队打算用非线性模型预测控制（NMPC）来搞定。

再就是还没真人测试。目前用的是人腿模型，下一步需要招募老年志愿者，在真实步态中验证效果。

另外，他们计划加入传感器和实时步态识别算法，让气囊在人抬腿的恰当时机充气助力，而不是瞎帮忙。

05.

结语

随着老龄化社会的加速到来，让老人能走、敢走、愿意走，不仅是医疗问题，更是尊严保护问题。这台软体外骨骼，不是什么惊天动地的科幻大发明，但它的思路很对，不把老人塞进机器，而是把机器变得像衣服一样柔软。

穿上它，老人不会觉得自己“残疾了需要辅助”，而是觉得“腿上有劲儿了，走路不累了”，这是机器人发展更高阶的形态。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11466393/authors#authors