哈佛創新研發的柔性織物機器人

文/周雨

柔性機器人是一新興的領域，它研究的是如何使用輕量、低姿態和柔性材料（如紡織品）來實現人體功能與動力的支持，以輔助人類運動。哈佛大學生物設計實驗室一支多元化研發團隊成功研發出一款柔性機器人手套，這種手套可幫助手有缺陷的人提高靈活性與力量，如為手無力者提高握力。

解決手無力

美國有數以百萬計的手無力患者。所謂手無力就是手上帶有殘疾或疾病，使手無法用力。它限制了人們日常生活中需要的活動能力，比如飲食和寫作。手無力可能是許多疾病的結果，包括中風、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，他們正在研發一種設備，可用于日常服裝材料和設計，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，手套下半部內置縫制控制器，當手指抬高時，它可幫助手指彎曲和伸展。就像普通手套一樣，這類紡織品是功能和舒適的最佳結合，同時也提供了急需的幫助。

運動助力機器手

手套動作是以紡織品為基礎的編織室或“致動器”實現的，它由三層紡織品縫合成一副雙室套管。當一氣囊或氣球被放置在紡織品套管內，并施壓時，氣球就會膨脹，伸展或彎曲。為創造延伸效果，兩種具有相同機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硬的聚酯經編織物，拉伸率不高。當充氣至25psi（磅力/平方英寸），紡織物變硬，硬得足以把手指拉長。

為支持手指彎曲，額外的一層織物加入編織室頂部。執行部分的頂部采用了高拉伸材料尼龍/氨綸，并經選擇性修正，賦予一段剛性熱固性薄膜。通過設計和分級施膠，使強化材料附于手指關節間，而普通拉舍爾針織品則附于手指關節。當膨脹至25psi時，拉舍爾編織將更具有拉伸性，導致部分彎曲，而強化膜段則保持直線。

無粘接拉舍爾節段連接在關節上，與手指的運動相匹配。為增強彎曲性，或每個關節都可使力，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械性，其袖口采用一種特制工藝，統稱為平包縫線，它消除了傳統縫口的笨重。這樣使每一個手指都獲得力量，并與針織手套完美結合。

根據參與者的反饋，臨床測試過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，以便在用戶間提供最佳的適配性和功能。

這種利用織物創造可穿戴輔助設備的方法也可為身體其他部分利用，如支持不同關節的運動。當充氣時，紡織物就能機械地輸出力量，這時，它改變織物的剛度和結構等特性，或改變建筑的裝配和朝向，這都會促發產生不同的運動，如扭轉和收縮，或使幾種運動組合。

研發中的協作

研發需要多方協作，這是這支團隊研發之后最大的感受。多學科團隊匯集了多個領域，包括職業治療、人體生物力學、功能服裝設計、工程和工業設計。這支哈佛團隊需要從手指結構的解剖學、創傷醫學和局限性的物理學上把握紡織品的特點，還需把握空氣動力工程學、傳感和控制裝置、可用性和手套尺寸等等。

跨學科的交流使這一研發更具有挑戰性，他們因此決定首先快速獲取材料并準備考慮原動力的來源，這有助于團隊圍繞設備創建富有成效的工作。這種原型在項目的不同階段與團隊成員間的密切配合相關。如，執行器的開發可能需要能夠量化其性能的測試平臺，將功能性服裝設計師、工程師和工業設計師聚集在一起。

一旦幾套組件作為可穿戴原型縫合在一起，就需要與其他團隊成員一起審查，包括醫療需求、人為因素和可用性等方面。物理原型成為理解一套設備的共同基礎：它由什么構成、如何工作，它需要怎么改進，穿戴好后與身體其他部分的協調配合又怎樣。這些考慮最終需要進行全面測試，以驗證其功能并改進其性能以保證最佳協作效應。

紡織服裝的新機會

現在的紡織服裝已不同于以往，紡織品和功能性服裝的應用有望建立特有的平臺，它應與普通服裝一樣合身，但功能性卻能大行其道。隨著人類繼續在這一領域開拓，尋求創新纖維和紡織品開發的機會就層出不窮，他們不僅期待新品的誕生，更希望研發過程也能創新，以擴大柔性可穿戴機器人的可能性，由此，材料設計專家與制造專家的合作又必不可少。

除了開發功能化的系統外，他們還致力于將技術從實驗室轉換到工業領域的最佳途徑，其提供的解決方案能切實為人們生活產生積極的影響。