哈佛创新研发的柔性织物机器人

文/周雨

柔性机器人是一新兴的领域，它研究的是如何使用轻量、低姿态和柔性材料（如纺织品）来实现人体功能与动力的支持，以辅助人类运动。哈佛大学生物设计实验室一支多元化研发团队成功研发出一款柔性机器人手套，这种手套可帮助手有缺陷的人提高灵活性与力量，如为手无力者提高握力。

解决手无力

美国有数以百万计的手无力患者。所谓手无力就是手上带有残疾或疾病，使手无法用力。它限制了人们日常生活中需要的活动能力，比如饮食和写作。手无力可能是许多疾病的结果，包括中风、肌肉萎缩或手指硬化症和脊髓损伤。由于日常生活需要手的支持，他们正在研发一种设备，可用于日常服装材料和设计，并利用纺织品固有的功能特性。该装置由一针织手套下半部组成，手套下半部内置缝制控制器，当手指抬高时，它可帮助手指弯曲和伸展。就像普通手套一样，这类纺织品是功能和舒适的最佳结合，同时也提供了急需的帮助。

运动助力机器手

手套动作是以纺织品为基础的编织室或“致动器”实现的，它由三层纺织品缝合成一副双室套管。当一气囊或气球被放置在纺织品套管内，并施压时，气球就会膨胀，伸展或弯曲。为创造延伸效果，两种具有相同机械性能的针织物被分层缝合在一起。这样，它就形成了一种非常坚硬的聚酯经编织物，拉伸率不高。当充气至25psi（磅力/平方英寸），纺织物变硬，硬得足以把手指拉长。

为支持手指弯曲，额外的一层织物加入编织室顶部。执行部分的顶部采用了高拉伸材料尼龙/氨纶，并经选择性修正，赋予一段刚性热固性薄膜。通过设计和分级施胶，使强化材料附于手指关节间，而普通拉舍尔针织品则附于手指关节。当膨胀至25psi时，拉舍尔编织将更具有拉伸性，导致部分弯曲，而强化膜段则保持直线。

无粘接拉舍尔节段连接在关节上，与手指的运动相匹配。为增强弯曲性，或每个关节都可使力，拉舍尔针织物缝入分层套管。此外，为充分利用每种纺织品的机械性，其袖口采用一种特制工艺，统称为平包缝线，它消除了传统缝口的笨重。这样使每一个手指都获得力量，并与针织手套完美结合。

根据参与者的反馈，临床测试过程需要考虑手套的适合性、舒适性和可用性。手套重量轻，只有1.5盎司，不充气时不显眼，可融入日常生活。它拥有4种不同的尺寸，以便在用户间提供最佳的适配性和功能。

这种利用织物创造可穿戴辅助设备的方法也可为身体其他部分利用，如支持不同关节的运动。当充气时，纺织物就能机械地输出力量，这时，它改变织物的刚度和结构等特性，或改变建筑的装配和朝向，这都会促发产生不同的运动，如扭转和收缩，或使几种运动组合。

研发中的协作

研发需要多方协作，这是这支团队研发之后最大的感受。多学科团队汇集了多个领域，包括职业治疗、人体生物力学、功能服装设计、工程和工业设计。这支哈佛团队需要从手指结构的解剖学、创伤医学和局限性的物理学上把握纺织品的特点，还需把握空气动力工程学、传感和控制装置、可用性和手套尺寸等等。

跨学科的交流使这一研发更具有挑战性，他们因此决定首先快速获取材料并准备考虑原动力的来源，这有助于团队围绕设备创建富有成效的工作。这种原型在项目的不同阶段与团队成员间的密切配合相关。如，执行器的开发可能需要能够量化其性能的测试平台，将功能性服装设计师、工程师和工业设计师聚集在一起。

一旦几套组件作为可穿戴原型缝合在一起，就需要与其他团队成员一起审查，包括医疗需求、人为因素和可用性等方面。物理原型成为理解一套设备的共同基础：它由什么构成、如何工作，它需要怎么改进，穿戴好后与身体其他部分的协调配合又怎样。这些考虑最终需要进行全面测试，以验证其功能并改进其性能以保证最佳协作效应。

纺织服装的新机会

现在的纺织服装已不同于以往，纺织品和功能性服装的应用有望建立特有的平台，它应与普通服装一样合身，但功能性却能大行其道。随着人类继续在这一领域开拓，寻求创新纤维和纺织品开发的机会就层出不穷，他们不仅期待新品的诞生，更希望研发过程也能创新，以扩大柔性可穿戴机器人的可能性，由此，材料设计专家与制造专家的合作又必不可少。

除了开发功能化的系统外，他们还致力于将技术从实验室转换到工业领域的最佳途径，其提供的解决方案能切实为人们生活产生积极的影响。