哈佛創(chuàng)新研發(fā)的柔性織物機(jī)器人

文/周雨

柔性機(jī)器人是一新興的領(lǐng)域，它研究的是如何使用輕量、低姿態(tài)和柔性材料（如紡織品）來(lái)實(shí)現(xiàn)人體功能與動(dòng)力的支持，以輔助人類(lèi)運(yùn)動(dòng)。哈佛大學(xué)生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室一支多元化研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一款柔性機(jī)器人手套，這種手套可幫助手有缺陷的人提高靈活性與力量，如為手無(wú)力者提高握力。

解決手無(wú)力

美國(guó)有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的手無(wú)力患者。所謂手無(wú)力就是手上帶有殘疾或疾病，使手無(wú)法用力。它限制了人們?nèi)粘Ｉ钪行枰幕顒?dòng)能力，比如飲食和寫(xiě)作。手無(wú)力可能是許多疾病的結(jié)果，包括中風(fēng)、肌肉萎縮或手指硬化癥和脊髓損傷。由于日常生活需要手的支持，他們正在研發(fā)一種設(shè)備，可用于日常服裝材料和設(shè)計(jì)，并利用紡織品固有的功能特性。該裝置由一針織手套下半部組成，手套下半部?jī)?nèi)置縫制控制器，當(dāng)手指抬高時(shí)，它可幫助手指彎曲和伸展。就像普通手套一樣，這類(lèi)紡織品是功能和舒適的最佳結(jié)合，同時(shí)也提供了急需的幫助。

運(yùn)動(dòng)助力機(jī)器手

手套動(dòng)作是以紡織品為基礎(chǔ)的編織室或“致動(dòng)器”實(shí)現(xiàn)的，它由三層紡織品縫合成一副雙室套管。當(dāng)一氣囊或氣球被放置在紡織品套管內(nèi)，并施壓時(shí)，氣球就會(huì)膨脹，伸展或彎曲。為創(chuàng)造延伸效果，兩種具有相同機(jī)械性能的針織物被分層縫合在一起。這樣，它就形成了一種非常堅(jiān)硬的聚酯經(jīng)編織物，拉伸率不高。當(dāng)充氣至25psi（磅力/平方英寸），紡織物變硬，硬得足以把手指拉長(zhǎng)。

為支持手指彎曲，額外的一層織物加入編織室頂部。執(zhí)行部分的頂部采用了高拉伸材料尼龍/氨綸，并經(jīng)選擇性修正，賦予一段剛性熱固性薄膜。通過(guò)設(shè)計(jì)和分級(jí)施膠，使強(qiáng)化材料附于手指關(guān)節(jié)間，而普通拉舍爾針織品則附于手指關(guān)節(jié)。當(dāng)膨脹至25psi時(shí)，拉舍爾編織將更具有拉伸性，導(dǎo)致部分彎曲，而強(qiáng)化膜段則保持直線(xiàn)。

無(wú)粘接拉舍爾節(jié)段連接在關(guān)節(jié)上，與手指的運(yùn)動(dòng)相匹配。為增強(qiáng)彎曲性，或每個(gè)關(guān)節(jié)都可使力，拉舍爾針織物縫入分層套管。此外，為充分利用每種紡織品的機(jī)械性，其袖口采用一種特制工藝，統(tǒng)稱(chēng)為平包縫線(xiàn)，它消除了傳統(tǒng)縫口的笨重。這樣使每一個(gè)手指都獲得力量，并與針織手套完美結(jié)合。

根據(jù)參與者的反饋，臨床測(cè)試過(guò)程需要考慮手套的適合性、舒適性和可用性。手套重量輕，只有1.5盎司，不充氣時(shí)不顯眼，可融入日常生活。它擁有4種不同的尺寸，以便在用戶(hù)間提供最佳的適配性和功能。

這種利用織物創(chuàng)造可穿戴輔助設(shè)備的方法也可為身體其他部分利用，如支持不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)充氣時(shí)，紡織物就能機(jī)械地輸出力量，這時(shí)，它改變織物的剛度和結(jié)構(gòu)等特性，或改變建筑的裝配和朝向，這都會(huì)促發(fā)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)，如扭轉(zhuǎn)和收縮，或使幾種運(yùn)動(dòng)組合。

研發(fā)中的協(xié)作

研發(fā)需要多方協(xié)作，這是這支團(tuán)隊(duì)研發(fā)之后最大的感受。多學(xué)科團(tuán)隊(duì)匯集了多個(gè)領(lǐng)域，包括職業(yè)治療、人體生物力學(xué)、功能服裝設(shè)計(jì)、工程和工業(yè)設(shè)計(jì)。這支哈佛團(tuán)隊(duì)需要從手指結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)、創(chuàng)傷醫(yī)學(xué)和局限性的物理學(xué)上把握紡織品的特點(diǎn)，還需把握空氣動(dòng)力工程學(xué)、傳感和控制裝置、可用性和手套尺寸等等。

跨學(xué)科的交流使這一研發(fā)更具有挑戰(zhàn)性，他們因此決定首先快速獲取材料并準(zhǔn)備考慮原動(dòng)力的來(lái)源，這有助于團(tuán)隊(duì)圍繞設(shè)備創(chuàng)建富有成效的工作。這種原型在項(xiàng)目的不同階段與團(tuán)隊(duì)成員間的密切配合相關(guān)。如，執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)可能需要能夠量化其性能的測(cè)試平臺(tái)，將功能性服裝設(shè)計(jì)師、工程師和工業(yè)設(shè)計(jì)師聚集在一起。

一旦幾套組件作為可穿戴原型縫合在一起，就需要與其他團(tuán)隊(duì)成員一起審查，包括醫(yī)療需求、人為因素和可用性等方面。物理原型成為理解一套設(shè)備的共同基礎(chǔ)：它由什么構(gòu)成、如何工作，它需要怎么改進(jìn)，穿戴好后與身體其他部分的協(xié)調(diào)配合又怎樣。這些考慮最終需要進(jìn)行全面測(cè)試，以驗(yàn)證其功能并改進(jìn)其性能以保證最佳協(xié)作效應(yīng)。

紡織服裝的新機(jī)會(huì)

現(xiàn)在的紡織服裝已不同于以往，紡織品和功能性服裝的應(yīng)用有望建立特有的平臺(tái)，它應(yīng)與普通服裝一樣合身，但功能性卻能大行其道。隨著人類(lèi)繼續(xù)在這一領(lǐng)域開(kāi)拓，尋求創(chuàng)新纖維和紡織品開(kāi)發(fā)的機(jī)會(huì)就層出不窮，他們不僅期待新品的誕生，更希望研發(fā)過(guò)程也能創(chuàng)新，以擴(kuò)大柔性可穿戴機(jī)器人的可能性，由此，材料設(shè)計(jì)專(zhuān)家與制造專(zhuān)家的合作又必不可少。

除了開(kāi)發(fā)功能化的系統(tǒng)外，他們還致力于將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換到工業(yè)領(lǐng)域的最佳途徑，其提供的解決方案能切實(shí)為人們生活產(chǎn)生積極的影響。