用于主动抑制人类震颤的软机器人技术的评估与验证

本文介绍一种评估震颤抑制技术的综合方法，验证了 Peano - HASEL 致动器的潜力。

　　### 用于主动抑制人类震颤的软机器人技术的评估与验证
在全球范围内，有近 8000 万人受震颤困扰，这种不自主的周期性运动是帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、原发性震颤（essential tremor，ET）等多种神经系统疾病的典型症状。它严重影响患者的日常生活，如患者难以正常饮水、书写，生活质量大幅下降。目前，针对震颤的治疗手段包括药物和手术，但这些传统治疗方法存在诸多局限性，例如药物可能随着疾病进展效果变差，手术存在健康风险，长期使用深部脑刺激还会出现耐受性问题，导致部分患者无法适用。

近年来，可穿戴矫形器成为研究热点，旨在通过非药物、非介入策略解决震颤问题。可穿戴辅助设备需满足舒适、安静、美观、易控制等多方面要求，且不能妨碍患者正常运动。软机器人设备因与人体组织机械性能相似，相比刚性设备具有天然优势，研究人员已开发出多种用于抑制震颤的软机器人设备和致动器。然而，大多数现有机制仍存在问题，如气动设备组件庞大嘈杂，半主动设备会限制患者自然运动。在众多驱动方式中，电驱动软致动器，尤其是 Peano - HASEL（一种仿生液压放大自愈合静电（HASEL）致动器），因其高效节能、响应快速、轻薄安静等特点，成为震颤抑制领域的潜力之选。

不过，评估新开发致动器在现实临床条件下的性能颇具挑战。一方面，技术可能尚未满足临床试验的医疗安全法规要求；另一方面，目前的评估方法存在局限性，如计算模型难以准确描述软致动器动力学，现有研究多在实验室对健康个体进行测试，缺乏真实临床数据支持。因此，开发一种有效评估震颤抑制技术的方法迫在眉睫。

为解决上述问题，研究团队提出一种综合评估方法，该方法结合机器人试验台（即 “机械患者”）模拟患者震颤发作记录和生物力学计算机模拟，验证抑制震颤所需的力，以此评估软机器人技术在主动抑制人类手腕震颤方面的性能。

“机械患者” 是研究团队设计制造的仿生机器人试验台，用于模拟人类前臂、手腕和手部。它由 3D 打印的前臂和可旋转的手部组成，内部安装两个麦凯本气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles，PAMs）。PAMs 通过交替充气和放气，模拟人体肌肉的屈伸运动，产生类似人类震颤的动作。研究人员利用正弦波控制信号，通过调节 PAM 的压力幅度、频率和共同收缩值，在 “机械患者” 上再现不同频率和严重程度的震颤。

研究人员选用 Peano - HASEL 致动器来抑制震颤。该致动器在电压激活下会线性收缩，能够直接对抗 PAMs 产生的震颤。实验中，在 “机械患者” 的腹侧和背侧各安装一个 Peano - HASEL 致动器，通过 PID 控制器调节驱动电压，以最小化关节角度，实现对震颤的抑制。

实验结果令人振奋。在不同频率（2 - 8Hz）和严重程度的震颤测试中，Peano - HASEL 致动器展现出强大的震颤抑制能力，可将震颤幅度降低 76% - 94%。对于从患者处收集的实际震颤数据，同样能实现至少降低一个震颤等级的效果。通过生物力学模型模拟发现，Peano - HASEL 致动器产生的动态正弦力高于模拟预测的最小抑制力，即使是单个致动器的阻塞力（40N）也远超所需，这表明更小巧轻便的致动器对也足以满足需求。

尽管该研究取得重要进展，但在 Peano - HASEL 致动器用于临床之前，仍有一些问题需要解决。例如，当前的致动器配置仅适用于在一个参考关节角度抑制震颤，未来可添加离合器机制，以实现在更多手腕位置的震颤抑制；在电气安全方面，需确保足够的绝缘和安全的最大放电电流，不过现有致动器尺寸配合正在开发的便携式安全电路有望满足这些要求；此外，目前的 “机械患者” 仅考虑了 1 个自由度，未来扩展到多个关节将使系统更接近真实人体，有助于研究不同关节间震颤频率的相互作用。

这种综合评估方法不仅能有效评估震颤抑制技术，还可用于研究其他运动障碍，如小脑性共济失调中的辨距不良、反射亢进导致的痉挛等。未来研究可采用更先进的控制方法，如卡尔曼滤波器（Kalman filters）、导纳控制或基于模型的控制，以提高反应和抑制率，并结合用户意图检测和情境感知技术，进一步优化可穿戴辅助设备的性能。

总的来说，该研究提出的综合评估方法为软机器人技术在震颤抑制领域的发展提供了重要支持，验证了 Peano - HASEL 致动器在抑制震颤方面的巨大潜力，为未来开发更有效的可穿戴震颤抑制设备奠定了坚实基础。随着后续研究的不断深入和技术的持续改进，有望为广大震颤患者带来更有效的治疗方案，显著改善他们的生活质量。