《Scientific Reports》：A garment-integrated shape-changing actuator for facilitating dressing
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## 三、摘要翻译
穿衣是基本日常生活活动（ADL），但对存在运动功能障碍的个体而言则变得困难，尤其当服装发生扭转、起皱以及袖窿（armhole）空间受限而阻碍肢体顺畅伸入时。本研究提出一种整合于服装的变形式执行器（garment-integrated sh
## 三、摘要翻译
穿衣是基本日常生活活动（ADL），但对存在运动功能障碍的个体而言则变得困难，尤其当服装发生扭转、起皱以及袖窿（armhole）空间受限而阻碍肢体顺畅伸入时。本研究提出一种整合于服装的变形式执行器（garment-integrated shape-changing actuator），旨在提高局部刚度、维持服装结构、扩展袖窿并降低织物与皮肤间的摩擦。研究人员将扁平管气动执行器（flat-tube pneumatic actuators）嵌入长袖衬衫，以在穿衣过程中动态维持服装几何形态。力学评估显示，与未激活状态相比，执行器激活后袖窿阻力增加、袖袖摩擦降低。一项纳入32名参与者、在正常与模拟偏瘫条件下开展的用户研究显示，在模拟优势臂功能障碍时穿衣时间显著缩短，同时穿衣易用性的主观评分改善（p < 0.001）。尽管在非优势臂功能障碍条件下未观察到客观指标改善，但参与者一致报告感知易用性提升。上述结果表明，主动维持服装形态可促进穿衣动作并减少穿着者与服装之间的交互障碍。该方法通过支持用户参与而非替代用户，凸显了服装整合式软体执行器作为一种交互层面辅助技术（interaction-level assistive technology）的潜力，可在保留残余功能能力的同时支持独立穿衣。
## 四、论文解读
**研究背景与问题提出**
穿衣是基本日常生活活动（activities of daily living, ADL），也是卒中后独立性的关键决定因素。偏瘫个体常在上半身穿衣中遇到显著困难，需照护者协助，由此增加照护负担、降低生活质量，同时反映运动恢复与功能表现的局限。研究指出，即便经过康复训练，穿衣仍比许多其他ADL任务更具挑战性，因而被视为功能独立性的临床指标。除运动障碍外，困难还源自服装自身的行为：肢体伸入过程中衣物可能扭转、起皱或塌陷，而神经功能缺损者难以独立纠正。面向肢体残障者的服装设计指南因此强调易操作性与结构支撑，且促进独立穿衣已被证明可提升自我效能并促进康复参与。机器人辅助穿衣系统虽在服装操作与自动化辅助方面展现潜力，近期亦有利用软体执行器使服装自行展开并沿肢体推进的自穿戴自适应服装，但多数方案旨在由机器人或服装系统替用户完成穿衣，优先任务完成而非支持用户自主性或保留残余功能能力。这种辅助可能无意中减少主动参与的机会，而康复期间维持运动功能具有临床重要性。既往研究探索过紧固件构型以促进偏瘫者穿衣，但服装整合式驱动辅助获得的关注相对有限。据研究人员所知，鲜有机器人辅助穿衣装置明确以保留使用者残余运动功能、使其主动参与穿衣过程为目标。因此，本研究面向仍保有部分运动能力、但因身体限制而在上半身穿衣中困难的人群（包括轻偏瘫、年龄相关运动衰退、发育性疾病或其他残障者），这类人群常因动作流畅性下降而依赖照护者。支持此类个体需要在不削弱其残余能力的前提下提升表现的辅助策略。据此，本研究不自动化穿衣任务，而是着眼于改造服装本身以支持独立性并维持功能能力。基于织物的软体机器人技术已成为轻量、可穿戴的替代方案； pouch motors（袋式马达）虽可印刷化充气驱动，但主要为收缩而设计，且因厚度可能不适于永久整合于服装；基于扁平或褶皱管结构的弯曲执行器可在充气下实现可控曲率，与可穿戴整合兼容性更佳。然而多数可穿戴机器人系统着重辅助身体运动而非改造服装以促进任务本身。与此相对，研究人员提出一种服装整合式变形式执行器，通过在肢体伸入过程中主动维持服装几何形态来辅助穿衣。该系统利用软体执行器提高结构稳定性、扩展袖窿开口并减少肢体伸入时的织物塌陷；通过提高局部刚度、维持结构形状、扩大肢体通道空间并降低织物–皮肤摩擦，使服装成为主动辅助要素。考虑到热与皮肤相关因素对触觉感知和手工操作表现的影响，降低服装界面的机械阻力可能进一步改善穿衣表现。研究假设：主动保持服装结构可通过防止扭转与起皱、扩大肢体伸入空间来促进穿衣动作。
**主要关键技术方法**
研究人员将扁平管气动执行器嵌入市售长袖棉质衬衫（UNIQLO，454337，L码），以可水洗双面织物胶带固定，聚氨酯管路经可拆卸T型接头连接单一气源，全部执行器区域同时充气；系统总重295 g（原衫220 g）。力学测试采用三轴龙门机器人配测力传感器（IMADA，ZTS-DPU-50N）以1.0 mm/s向下压缩至80 mm位移评估袖窿刚度，以50 g人工皮肤样本（Beaulax Co., Ltd.，H077-002）在袖内水平滑动30 mm评估袖部摩擦；用户研究纳入32名健康成人（18女14男，平均年龄22.3 ± 4.60岁；金泽大学理工学域人体研究伦理委员会批准，批号2022-2），用偏瘫体验套装（Tokushu-iryo, Inc.，3010L）配合束带与弹力带模拟优势侧与非优势侧瘫痪，以秒表记录穿脱衣时间并发放7点与5点Likert量表问卷，统计分析采用Wilcoxon符号秩检验（p < 0.05，SPSS Statistics）。
**研究结果**
系统概述：所开发的服装整合式驱动系统在长袖衣内嵌入扁平管气动执行器，主动保持袖窿开口并减少肢体伸入时织物变形。执行器布局分为三个功能区：袖窿区支持开口扩展，袖部区抑制起皱并引导手臂运动，腋下区增加伸入间隙。执行器未加压时薄而柔顺、充气时可受控变形，可无缝整合于日常衣物而不显著改变柔顺性；其工作原理为：采用不同厚度织物片构成时，较软一侧在加压下膨胀更多，使相邻狭缝间距缩短，执行器向较软侧弯曲，从而机械稳定服装并减少穿衣时塌陷。袖部区由两个扁平管执行器构成，充气时增加刚度并拉伸纵向褶皱以降低摩擦，便于手臂穿过衣袖并上提至肩部；腋下区维持扩张的腋下空间以提供额外间隙。该系统不直接增强人体运动，而是通过肢体伸入时维持服装几何形态来辅助穿衣，将辅助从身体增强转向服装改造。
力学验证——袖窿刚度评估：未充气时袖窿易塌陷、阻力极小，平均力低于0.15 N；充气后执行器保持袖窿扩张几何形态，达到相同位移所需载荷约为1.8倍，按压区间平均阻力增至约0.38 N，表明激活增强了结构稳定性并防止服装塌陷；该刚度调控幅度说明执行器能实质改变服装力学而非仅产生知觉变化。
摩擦评估：与未充气条件相比，执行器激活降低了峰值拉伸载荷，表明维持袖部几何形态降低了肢体伸入时的机械阻力并促进更顺畅的手臂通过。
穿衣动作评估：在模拟优势侧瘫痪条件下，执行器激活使穿衣时间减少约14.3%；模拟非优势侧瘫痪下仅小幅减少（7.4%），非优势侧与正常条件均未检出统计学显著差异；脱衣时间在各条件下差异极小。优势侧瘫痪下减幅最大，提示当主要穿衣肢体受损时执行器提供更大功能获益。与穿衣时间下降一致，试验后问卷显示模拟障碍条件下穿衣易用性评分改善，而正常条件下两种状态的易用性评分相当。相反，无损伤条件下易用性评分略低，提示当基线穿衣已较容易时结构辅助可能被视为不必要；舒适性指标在各条件下变化很小，表明执行器未引入显著身体负担。总体上，保持服装结构可改善穿衣表现并维持穿着者舒适性，且任务难度越高获益越明显。
回归分析：在模拟优势侧瘫痪下，穿衣时间差与感知穿衣易用性（β = ? 0.78，p = 0.02，R2 = 0.17）、干燥感（β = ? 1.15，p = 0.04，R2 = 0.13）及顺滑感（β = 2.67，p = 0.02，R2 = 0.17）显著相关；易用性与干燥感评分越高穿衣时间越短，而顺滑感评分越高则穿衣时间越长。该条件下脱衣方面，感知脱衣易用性与脱衣时间差负相关（β = ? 0.58，p = 0.03，R2 = 0.14），温暖感呈正相关（β = 1.05，p = 0.04，R2 = 0.13）。模拟非优势侧瘫痪下，穿衣时间差与感知穿衣易用性（β = ? 0.78，p = 0.02，R2 = 0.17）和自由度（β = ? 1.99，p = 0.02，R2 = 0.16）负相关，与腕围正相关（β = 3.35，p = 0.02，R2 = 0.16）；脱衣方面，脱衣易用性评分越高脱衣时间越短（β = ? 0.70，p = 0.01，R2 = 0.21），舒适性呈边缘相关（β = ? 0.60，p = 0.05，R2 = 0.12）。
**讨论与结论**
讨论指出，本研究证明主动稳定服装几何形态可改善穿衣表现，尤其当障碍累及主要穿衣肢体时；将结构辅助直接嵌入服装，使辅助角色从外部机器人装置转向人–服装界面。力学评估证实激活增加抗袖窿塌陷能力并减少袖部机械干扰，这些结构变化与模拟优势臂障碍下穿衣时间的显著缩短相关，表明任务难度升高时保持服装扩展具有功能作用。脱衣时间无显著差异，可能反映参与者常采用以躯干动作脱离衣袖的策略，较少依赖袖窿几何稳定性，提示服装稳定主要与肢体伸入而非抽出相关。主观评估显示即便客观时间改善有限，模拟障碍下感知易用性仍提升，提示感知辅助不仅源于可测表现增益，也源于更顺畅、更可预测的服装交互；执行器通过防止织物塌陷与维持衣袖对位减少纠正动作需求，从而增强控制感与可用性。感觉体验方面，与正常条件相比，模拟障碍下执行器存在感、穿着动作与穿着感觉相关条目在充气与未充气间的差异减弱；虽舒适性评分基本不变，但模拟瘫痪下参与者对执行器激活引入的轻微身体不适似乎较不敏感，当运动功能受限时任务成功完成可能优先于细微触觉干扰，知觉权重从舒适转向功能辅助。回归分析进一步表明，主观可用性感知（尤其易用性、干燥感、自由度与热感觉）与客观穿衣表现密切相关，凸显在人–服装界面同时管理结构稳定与感觉交互的重要性。研究提示辅助技术不必仅依赖增强人体生物力学来改善功能表现，改造环境交互——具体为服装的力学行为——即可实质影响任务流畅性与感知可用性；将辅助置于人–服装界面，为在保留主动运动参与的同时支持独立性提供了另一路径，此类以界面为中心的策略可能广泛适用于其他受环境阻力限制的ADL。局限性包括：以健康参与者模拟障碍可能无法完全反映运动损伤者的动作限制与代偿策略，或低估执行器获益；执行器条件顺序未随机化（先未充气后充气），可能引入学习效应；原型的左右两侧同时充气，未实现侧别特异性驱动。实践层面，单一衬衫尺码可能影响适配性，可调尺码设计与多尺码或可改善贴合度；原型依赖外部气源、非为便携使用设计，初步测试显示微型气泵与电池供电低压运行的可行性，优化执行器设计以在更低压力下实现相当扩展可促成紧凑气动组件与友好控制界面；执行器主要由织物基材料制成，可与服装一同洗涤，初步观察显示热封执行器本体经标准机洗后仍具功能，但刚性气动管连接处出现损伤，且热封执行器在干燥过程中易受损，故需进一步研究稳健的服装整合方法与可拆卸气动接口（如soft connectors），并系统评估耐久性、可洗性、维护需求与长期可用性。
**结论翻译**
本研究结果表明，主动维持服装形态可促进穿衣动作并减少穿着者与服装之间的交互障碍。通过支持用户参与而非替代用户，所提出的方法凸显了服装整合式软体执行器作为一种交互层面辅助技术的潜力，可在保留残余功能能力的同时支持独立穿衣。
