能感知拉力的仿生人工肌腱：让可穿戴机器人自动调节力量

本文报道了一种受人体高尔基腱器官（GTO）启发的仿生人工肌腱——ExoTendon，专为人工肌肉驱动的穿戴式机器人设计，解决长期存在的‘力感知与力调节一体化’难题。传统人工肌肉虽能收缩产生力量，却缺乏类似人体肌腱中GTO的本体感觉功能，无法实时感知自身输出力，因而只能依赖经验性的开环控制，导致辅助效果不稳定、适应性差。ExoTendon的核心是一根基于摩擦电效应的柔性传感丝：它由正负两根带不同介电涂层的细丝螺旋缠绕构成，受拉时接触面积变化引发电荷感应，从而输出与张力呈高度线性关系的电压信号。该设计具有高线性度（相关系数达0.998）、极低滞后（最低4.6%）、宽量程可调（单丝10N，多丝并联可达数百牛）、抗侧向挤压能力强（径向干扰仅占轴向响应的约2%）、耐高频振动（响应稳定至8Hz）及长寿命（6万次循环后性能衰减＜5%）等特点。更重要的是，它可通过改变螺旋螺距或芯丝材质（如尼龙直径）灵活调节灵敏度与量程；还可缝制于织物上形成平行阵列，实现对分布不均张力的‘求和感知’——无论力集中在某一点还是分散施加，总输出只反映合力大小；甚至可用双角度排布构成‘超肌腱’，同步识别力的大小与方向。研究团队将ExoTendon集成到髋关节外骨骼服中，用于中风患者康复训练。实验表明：借助ExoTendon的闭环力反馈，系统可自动优化人工肌肉预紧力——预紧力过低则助力响应迟滞，过高则限制髋关节伸展；找到最佳预紧点后，在较低气压输入下，患者患侧髋关节活动范围平均增加5°，步行速度提升超0.1米/秒，显著改善行走平衡与效率。该技术首次实现了软体人工肌肉系统的自主力调控，不仅填补了感知-执行融合的关键空白，也为下一代智能康复机器人和助行装备提供了普适性强、易于集成的底层传感解决方案。