你是否也曾在沙灘上步履蹣跚，感到每一步都格外沉重？這是因為沙地的流動性和沉陷性，讓我們每一步都需要消耗比平地多 1.6到2.5倍的能量！為了保持平衡，我們的肌肉必須時刻處于“高度戒備”狀態(tài)。來自羅格斯大學(xué)（Rutgers University）的研究團隊為了解決這個問題，提出了一種專門針對沙地行走的膝關(guān)節(jié)外骨骼（文章標題：Assistive Control of Knee Exoskeletons for Human Walking on Sandy Terrain，文章具體信息見文末）。但它最厲害的地方，不僅是幫你走路，更是通過肌電（EMG）傳感器，實實在在地證明了它能讓你的肌肉“放松”下來。

 文章信息

如圖1（A）所示，可以看到外骨骼的主要傳感系統(tǒng)組成部分，包括傳感器（IMU）和編碼器，以及膝關(guān)節(jié)外骨骼的總體結(jié)構(gòu)示意圖，其中顯示了膝關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)扭矩和外部支持框架。圖1（B）展示了在不同地面（沙地和堅實地面）上，行走過程中膝關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)扭矩的變化曲線。下方的實驗配置圖中，圖1（C）展示了實驗人員佩戴外骨骼的實際設(shè)置，包括無線EMG和傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，以及圖1（D）中的實驗平臺包括沙地（沙盒）和堅實的地面平臺，配備有力學(xué)傳感器用于收集地面反作用力數(shù)據(jù)。簡單說，這套系統(tǒng)像一個“智能彈簧”。它不是死板地推著你走，而是通過機器學(xué)習(xí)（雙向LSTM+MLP雙路徑架構(gòu)）實時預(yù)測地面的反作用力（GRF），實時調(diào)整膝關(guān)節(jié)的輔助力度（剛度），讓你在蹬地那一刻獲得精準的助力。

圖1. 膝關(guān)節(jié)外骨骼在沙地步行中的實驗與設(shè)計原理

圖2展示了膝關(guān)節(jié)外骨骼的控制系統(tǒng)框架。從圖2（A）中可以看到，外骨骼控制系統(tǒng)通過雙向LSTM（Bi-LSTM）網(wǎng)絡(luò)來實時預(yù)測地面反作用力（GRFs），該網(wǎng)絡(luò)使用來自IMU傳感器的數(shù)據(jù)。通過多層感知器（MLP）提取運動信息，結(jié)合步態(tài)相位估計器，系統(tǒng)能夠在不同步態(tài)階段預(yù)測相應(yīng)的GRFs。接著，這些預(yù)測的GRFs與外骨骼的人體-外骨骼動力學(xué)模型結(jié)合（圖2B），用于設(shè)計模型預(yù)測控制（MPC），優(yōu)化膝關(guān)節(jié)的助力扭矩。總之，MPC控制器通過實時調(diào)整膝關(guān)節(jié)的助力扭矩，以應(yīng)對沙地等不規(guī)則地面的挑戰(zhàn)，提供平穩(wěn)的行走支持。

圖2. 膝關(guān)節(jié)外骨骼的控制系統(tǒng)框架

為了證明這套外骨骼真的有用，研究團隊通過（EMG）傳感器，進行了肌肉活動的對比；圖3(A)與圖3(B)分別展示了在堅實地面和沙地上，四種條件下(Condition A、Condition B、Condition C 和 Condition D 分別為無外骨骼, 有外骨骼無動力，使用基線控制器的有動力外骨骼 和用MPC控制的有動力外骨骼)各個肌肉（如股直肌RF、股外側(cè)肌VL等）在步態(tài)周期內(nèi)的平均（EMG）變化。通過觀察這些數(shù)據(jù)，我們可以看到不同條件下各肌肉的激活模式，以及外骨骼如何在不同的地面條件下影響肌肉的負擔(dān)。

圖3.不同實驗條件下（EMG）數(shù)據(jù)的變化

圖3(C)與圖3(D)分別展示了EMG的RMS（均方根）和大EMG值在Condition D與其他三種條件的比較結(jié)果，進一步驗證了在穿戴MPC控制的有動力外骨骼下的肌肉激活情況。可以看到，使用MPC控制（condition D）顯著減少了大部分肌肉的激活，尤其是在沙地上，這顯示出MPC控制對減少肌肉負擔(dān)的有效性。這意味著你的肌肉不需要像以前那樣拼命收縮了，外骨骼幫你承擔(dān)了那部分力氣，尤其是小腿肌肉（TA, LG, MG）和大腿外側(cè)肌肉（VL）的負擔(dān)明顯減輕。相比不穿外骨骼（Condition A）或穿普通外骨骼（Condition B/C），本文的MPC控制（Condition D）讓代表肌肉用力的柱子（條形圖）明顯變矮了，這就是省力15%的直接證據(jù)

補充：本實驗除了記錄肌電和生物力學(xué)用來計算省力指標，還同時讓被試佩戴VO2 Master代謝儀測大攝氧量來計算被試的代謝消耗數(shù)值來直接評估該外骨骼是否省力。結(jié)果佩戴該外骨骼確實顯示代謝成本相比無佩戴降低3.7%，但是沒有統(tǒng)計顯著。

這項研究證實了在從硬地切換到沙地這種復(fù)雜場景下，智能調(diào)節(jié)剛度的外骨骼能有效減少肌肉疲勞，節(jié)省能量消耗。這不僅僅是走得更輕松，更是未來外骨骼走向戶外復(fù)雜環(huán)境的重要一步。

原文信息鏈接

Zhu C, Chen X, Yi J. Assistive Control of Knee Exoskeletons for Human Walking on Sandy Terrain[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2025.

研究團隊介紹

研究團隊是來自美國新澤西州羅格斯大學(xué)機械與航空航天工程系的Jin-Gang Yi教授團隊。

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