基于拓扑优化的Exo-Glove Poly II仿生手套指部结构设计：功能性与穿戴舒适性的协同提升

这篇研究创新性地提出了一种用于肌腱驱动软体外骨骼Exo-Glove Poly II（EGP II）的指部结构优化方法。通过建立周期性单元细胞模型，采用两阶段（拓扑优化与尺寸优化）设计策略，在保证用户偏好拉伸性（stretchability）的同时，将指部结构畸变（distortion）降低54.9%，抓握力提升15.3%，有效解决了功能性与穿戴舒适性（wearability）的矛盾需求。

　　

研究背景与意义

肌腱驱动软体可穿戴机器人因其轻量化、生物相容性好等特点，在辅助脊髓损伤患者手部功能康复方面具有独特优势。Exo-Glove Poly II（EGP II）作为代表性产品，其指部结构采用菱形图案设计，但在屈曲过程中存在不对称载荷导致的畸变问题，既影响力矩传递效率（功能性问题），又因剪切力引起用户不适（穿戴舒适性问题）。传统高刚度材料方案会限制用户运动自由度，而线性超材料或可编程水凝胶等方法又面临制造难度大、力学特性不明确等挑战。

研究方法创新

研究团队提出三大创新方法：1）将指部结构建模为纵向周期性排列的单元细胞，实现设计域简化；2）建立包含几何非线性（大变形）和材料非线性（Yeoh超弹性模型）的多尺度评估体系，通过实验测试（Instron微力测试仪）与数值模拟（Abaqus有限元分析）相结合，量化畸变刚度（distortional stiffness）和拉伸顺应性（tensile compliance）；3）开发两阶段优化流程——先基于线性假设的拓扑优化确定材料布局，再考虑非线性的尺寸优化微调结构参数。

关键技术突破

在单元细胞层面，研究定义了新型"畸变柔度"指标——加权求和四个分析工况的柔度值：拉伸（Analysis 1）、面内弯曲（Analysis 2）、面外弯曲（Analysis 3）和扭转（Analysis 4）。通过样本偏好测试确定用户理想的拉伸力P^*（5.896N/4.952N/5.572N），并建立1D梁模型转化指部载荷为单元细胞边界条件。优化过程中采用SIMP方法（惩罚因子p=3）和NSGA-II算法，最终设计在KE1300T硅胶材料（C₁₀=0.2362MPa）上实现拓扑创新：连接相邻绑带区域的新支撑梁使畸变刚度提升5倍，而优化的孔形结构维持了与1mm厚矩形设计相当的拉伸性。

实验验证结果

针对三种不同手型用户（指长L₁=67-79mm）的优化设计显示：1）拉伸测试中达到目标伸长量α（12-13mm）的误差仅4.43%；2）畸变测试中最大位移β降至传统设计的37.5-51.2%；3）实际穿戴时EMG监测证实肌肉无代偿活动，抓握力平均提升15.3%。有限元分析揭示应力集中分布于新设计的连接梁区域，验证了其抗畸变机制。

应用前景展望

该研究建立的"定制化尺寸+优化图案"设计范式，不仅解决了EGP II现存问题，更为其他需要兼顾刚度与柔性的医疗机器人（如脊柱矫形器、下肢外骨骼）提供了普适性方法。特别值得注意的是，通过用户参与的偏好测试确定力学指标，体现了"以人为中心"的康复工程理念。未来可进一步探索该拓扑结构在可编程超材料、仿生关节等领域的延伸应用。