基于微型可折叠气囊驱动单元的柔性可穿戴模块化辅助手套研究

本文提出了一种基于微型可折叠气囊驱动单元（MFPMU）的柔性可穿戴模块化辅助手套，该装置通过正负气压驱动，能够实现弯曲与伸长协同运动，完美适配手指关节旋转时的皮肤延展特性。研究建立了基于虚功原理的扭矩-弯曲角数学模型，验证了MFPMU在10 kPa下可达62°弯曲角，50 kPa时单指指尖力达2.34 N。模块化设计使损坏单元可在30秒内更换，实验显示佩戴该手套抓握木块时各手指指尖力平均提升56%。

　　

手部功能障碍康复新突破：微型气囊驱动技术

引言
手部作为人体最精密的运动器官，其功能障碍严重影响生活质量。每年全球数百万人因脑卒中导致偏瘫，其中30%-50%出现手部运动障碍。传统刚性外骨骼存在关节对位不准、舒适性差等问题，而现有柔性辅助手套在结构适配性和驱动效率方面仍有局限。

创新驱动单元设计
研究团队开发的微型可折叠气囊驱动单元（MFPMU）采用热塑性聚氨酯（TPU）膜全热封工艺制造，由多个矩形气囊串联构成。其核心创新在于：1）中部弯曲段单侧热封实现定向弯曲；2）两端延伸段自由伸缩，完美匹配关节旋转时的皮肤延展。通过标准化热封工艺，解决了传统多腔室驱动器制造复杂、气密性差的问题。

数学模型与性能验证
基于虚功原理建立的扭矩模型显示，当气囊高度H=20 mm、连接边长a=4 mm时，单个MFPMU在50 kPa压力下可产生240 mN·m扭矩。动态测试表明其响应时间仅0.17秒，恢复时间0.13秒。特别值得注意的是，通过增加弯曲段数量n，总弯曲角可线性增加（n=2时120°，n=3时185°），而轴向尺寸几乎不变。

模块化手套实现
手套采用"3D打印骨骼+MFPMU"的模块化设计：每个手指配置3个MFPMU（MCP/PIP/DIP关节分别对应n=3/2/3），通过硅胶管串联供气。弹性尼龙织物连接骨骼单元，既保证侧向刚度又适应皮肤延展。实验显示单指在原始状态下可产生2.34 N指尖力（50 kPa），抓握木块时各指力平均提升56%。

临床应用展示
该手套成功实现了多种功能性动作：食指屈曲、侧捏、拇指对掌、指尖捏握等。在物体抓握测试中，可稳定抓取从鸡蛋（易碎品）到苹果（不规则形状）等不同物品。对比传统PneuNets弯曲执行器，MFPMU的优势在于：1）无需限制层即可同步弯曲-伸长；2）初始折叠状态体积接近零；3）标准化制造降低成本。

未来展望
研究团队计划从三方面进行优化：改进MFPMU材料和结构以提高耐压性，开发独立关节驱动控制系统，探索更多临床应用场景。这项技术为手功能康复提供了新的解决方案，其模块化设计尤其适合个性化康复需求。