基于预训练形状记忆合金(SMA)的轻量化柔性康复手套设计与实验验证

为解决手部运动功能障碍患者康复训练设备便携性差、灵活性不足的问题，韩国汉巴特国立大学研究团队开发了一种基于预训练形状记忆合金(SMA)的轻量化柔性康复手套。该研究通过对比六种SMA致动器结构模型，最终采用矩形和正弦波结构设计出仅重15g、可产生15N最大作用力的康复手套，为日常活动和康复训练提供了便携解决方案。

　　

全球约有16%人口存在显著残疾，其中脊髓损伤患者中40%伴有手部功能障碍。传统康复训练面临设备笨重、成本高昂等问题，亟需开发便携式解决方案。韩国汉巴特国立大学(Hanbat National University)智能控制与机器人实验室(ICRS)的Venkatesan Vellaiyan团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地将形状记忆合金(SMA)应用于康复手套设计。

研究采用实验对比法，通过构建六种SMA致动器模型(矩形、内外螺旋、大小正弦波、蝴蝶型)，结合PID(比例-积分-微分)控制系统和LabVIEW数据采集系统，最终筛选出最优结构。测试系统包含负载传感器、PWM(脉宽调制)模块和K型热电偶，通过Arduino平台实现精确控制。

【SMA设计原理】利用SMA材料的马氏体(低温易变形)和奥氏体(高温恢复预设形状)相变特性，通过温度调控实现致动。实验显示矩形和正弦波结构能产生更大位移，其中正弦波模型在1A电流下可完成完整收缩-舒张循环。

【原型验证】最终开发的12自由度手套单指仅重15g，最大输出力达15N。温度-力值测试表明，致动器在60-70℃区间能保持稳定输出，通过PID控制可实现±0.5℃精度。

【临床价值】该研究突破传统刚性外骨骼局限，其预训练SMA线材的独特结构设计解决了材料应变率低的缺陷。正弦波构型通过增加有效长度，将理论应变从8%提升至实际应用的15%，同时保持高能量密度(15MJ/m³)。

这项研究为居家康复提供了新思路，其模块化设计允许根据患者损伤程度定制致动器数量和排布方式。未来通过集成肌电传感器和机器学习算法，可进一步实现个性化康复方案。韩国国家研究基金会(NRF)资助的这项成果，标志着柔性康复设备向实用化迈出关键一步。