综述：功能性材料与人工智能支持的帕金森病软体机器人技术

这篇综述系统探讨了结合水凝胶（hydrogel）、人工智能（AI）和增强现实（AR）的下一代软体机器人（soft robotics）在帕金森病（PD）管理中的创新应用，重点介绍了其通过物联网（IoT）和机器学习（ML）实现个性化症状监测与实时干预的潜力，为神经退行性疾病的非药物疗法提供了新范式。

　　

Abstract

帕金森病（PD）作为一种进行性神经退行性疾病，其运动与非运动症状显著降低患者生活质量。近年来，软体机器人技术凭借可定制化、舒适性和低侵入性特点，为PD管理提供了创新解决方案。本文重点探讨了基于水凝胶的功能性材料与人工智能（AI）、增强现实（AR）技术的协同整合，通过远程监测和实时调整优化个性化治疗，同时提升人机交互体验。

Introduction

PD的病理特征源于黑质多巴胺（DA）神经元退化，导致基底神经节运动控制功能受损。传统刚性机器人因无法适应人体动态需求而受限，而软体机器人采用弹性材料（如形状记忆合金、电活性聚合物）模拟生物肌肉运动，结合水凝胶的生物相容性和环境响应性，为开发轻量化可穿戴辅助设备（如外骨骼、软体手套）奠定基础。

Functional Materials Used in Soft Robotics

SMP—Hydrogel

水凝胶凭借其高含水量和刺激响应性成为核心材料。例如，聚丙烯酰胺（PAM）通过葡萄糖增韧形成氢键网络，提升机械性能；半互穿网络（semi-IPN）水凝胶双层驱动器可双向弯曲，适用于药物控释。章鱼仿生粘附水凝胶（OHA）能在体温变化下实现组织粘附与分离，推动微创医疗应用。

2D, 3D, and 4D material-integrated hydrogel

二维材料（如MXene）增强水凝胶皮肤的光热响应性，而3D打印电活性水凝胶（EAH）通过电场调控实现精准运动。4D打印的纤维素纤维定向排列水凝胶可编程形变，磁活性水凝胶（MAH）则具备自修复与生物降解特性。

Conductive hydrogels

天然生物聚合物（如明胶、壳聚糖）与银纳米线（AgNWs）复合提升导电性，聚多巴胺（PDA）修饰碳纳米管的水凝胶兼具自粘附与应变传感功能（GF=2.5）。离子导电水凝胶（如Al³⁺掺杂体系）为可拉伸传感器提供新思路。

Design of Soft Robotic Systems for PD

Wearables

• SWAG髋关节辅助装置：通过气动旋转执行器（PRA）改善步态冻结（FoG），使行走距离增加55%。
• 光纤传感手套（HOWS）：双网络结构水凝胶光学传感器结合卷积神经网络（CNN），实现96.9%的异常步态分类准确率。
• 震颤抑制腕带：基于咖啡颗粒的颗粒阻塞机制自动检测并抑制震颤频率。

IoT and ML integration

物联网平台通过惯性测量单元（IMU）和压力传感器采集步态数据，ML算法（如KNN、SVM）预测症状。深度学习的意图驱动外骨骼（如Lee等开发的系统）将上肢肌肉活动减少3.7倍，云端模型分类准确率达96.2%。

Virtual reality and augmented reality

数字孪生技术结合触觉反馈环（ATH-Ring），通过摩擦电传感器实现虚拟装配线操作；VR镜像疗法通过沉浸式训练改善PD患者运动协调性。

Current Challenges

数据安全、水凝胶长期耐用性（如反复机械应力下的降解）以及医疗成本是可穿戴系统的三大瓶颈。此外，ML模型需更大样本来应对PD症状的高度异质性。

Conclusion and Future Work

未来方向包括：

1. 多模态融合接口（如神经肌肉信号解码）；
2. 量子计算加速数据处理；
3. 3D/4D打印定制化水凝胶执行器。临床转化需加强随机对照试验（RCT）验证，确保技术普惠性。