《Biosensors》：Wearable Biomechanical Sensing Platform Integrated on Rigid–Flexible Coupled Load-Bearing Exoskeleton: Multi-Terrain Human–Machine Force Monitoring and Physiological Metabolic Validation
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摘要：多地形适应性与代谢降低是将承载式下肢外骨骼推向实际应用的关键。然而，传统单模态传感无法在复杂地形下同步量化人—外骨骼交互力与生理代谢响应。针对这一局限，研究人员研制了刚柔耦合承载式下肢外骨骼，并构建了交互力与代谢能量消耗的双模态测试平台。研究人员采用DY
摘要：多地形适应性与代谢降低是将承载式下肢外骨骼推向实际应用的关键。然而，传统单模态传感无法在复杂地形下同步量化人—外骨骼交互力与生理代谢响应。针对这一局限，研究人员研制了刚柔耦合承载式下肢外骨骼，并构建了交互力与代谢能量消耗的双模态测试平台。研究人员采用DYMH-102膜盒式称重传感器（diaphragm box load cells）与Cosmed K5便携式气体代谢分析仪（portable gas metabolism analyzer），建立了标准化户外多场景传感协议。该协议在15 kg负载下，于三类代表性地形——硬质水平地面（hard level ground, HLG）、轻度不平草地（gently uneven grassland, GUG）和缓坡山路（gently sloped mountain road, GMR）——量化外骨骼助力性能与人体代谢收益。实验结果表明，地形复杂性直接影响传感器测量结果与外骨骼助力性能：在三种地形条件下，外骨骼肩部载荷转移效率分别为55.97%、54.76%和42.45%，峰值冲击载荷降低率分别达到78.26%、80.00%和66.67%。代谢节省呈描述性逐渐下降，可能归因于地形扰动、步态畸变与人—机接口滑移，代谢成本降低分别为16.28%、11.93%和11.48%。与传统依赖孤立性能指标的外骨骼评估不同，该工作整合机械与生理双模态传感，为复杂户外环境中可穿戴设备建立同步定量评估方法。所提方法缓解了当前可穿戴生物传感系统地形适应性差与缺乏多参数耦合评估的问题。
研究背景与问题：下肢承载外骨骼可卸载人体负荷、增强运动表现并降低代谢成本，已用于多种负重作业场景。传统刚性外骨骼运动自由度有限、运动惯量大，在复杂地形上姿态稳定性不足，对非结构化工作环境适应性较差；刚性结构还会直接传递冲击载荷，增加脊柱负荷并降低穿戴舒适性。现有外骨骼研究多集中于结构改进与机械助力验证，将传感系统主要作为辅助测量工具，难以同步捕捉人—机机械信号与人体代谢信号，从而难以精确量化多地形下人—外骨骼交互的动态特征。已有悬吊负重装置虽可实现减振和节能验证，但多缺少与地面接触的下肢卸载机构，载荷仍主要传递至人体躯干和下肢肌肉；部分带地面接触腿结构的下肢外骨骼虽可将载荷传至地面，但验证多在实验室跑步机水平地面完成，缺少楼梯、坡道和真实户外道路等多地形综合测试。因此，研究人员构建了适应户外多地形场景的力—代谢双模态（dual-modal）生物传感测试平台，并在15 kg负载、约5 km/h行走速度下比较有/无外骨骼在HLG、GUG和GMR三种地形中的肩部载荷、冲击负荷与代谢能耗，以验证刚柔耦合（rigid–flexible coupled）承载外骨骼的载荷转移、冲击抑制和节能效果。研究结论表明，该外骨骼在全部测试地形中均可实现载荷转移与冲击抑制，并降低负重行走代谢成本；其意义在于将机械与生理双模态传感整合为复杂户外环境下可穿戴设备的同步定量评估方法，改善现有系统地形适应性不足和多参数耦合评估缺乏的问题。
关键技术方法：研究纳入7名男性参与者，研究经深圳先进技术研究院伦理委员会批准（SIAT-IRB-231115-H0681）。采用DYMH-102膜盒式称重传感器（diaphragm-box load cell，采样频率500 Hz）采集肩带接触界面动态载荷，并以Cosmed K5便携式气体代谢分析仪（portable gas metabolism analyzer）采集呼吸气体交换参数；以改良Brockway公式计算代谢率。测试设置包括15 kg负载、5 km/h平均步速、HLG（0%坡度）、GUG和GMR（5%坡度），并完成传感器静态校准（0—300 N，三次加载—卸载循环）。肩部载荷取稳态步态10 min连续有效数据均值；代谢测试包括静息10 min和稳态行走10 min，试验间休息>15 min。控制上采用自适应振荡器（adaptive oscillator, AO）估计步态相位，结合力反馈与导纳控制（admittance control）调节助力。
研究结果：
3.2.1 负荷数据分析：通过有/无外骨骼条件下三地形肩部峰值冲击负荷和平均肩部载荷转移效率测试，研究人员发现外骨骼在HLG、GUG和GMR分别使峰值肩部冲击负荷降低78.26%、80.00%和66.67%。地形复杂性对肩部冲击负荷具有放大作用：无外骨骼（NE）条件下，GUG和GMR较HLG分别增加34.29%和72.62%；穿戴外骨骼（EXO）时相应增加28.57%和82.14%。平均肩部载荷转移效率为HLG 55.97 ± 1.15%、GUG 54.76 ± 1.73%、GMR 42.45 ± 0.90%；GMR较HLG下降13.52%（p = 0.0002），GUG较HLG下降1.21%（p = 0.28，不显著）。原文指出，复杂地形可能限制外骨骼卸载性能；GMR坡度改变外骨骼与地面几何匹配关系，易形成锐角受力姿态，并可能诱发膝前倾和下肢绑带移位。受传感器配置限制，研究未独立分离冲击分量或解耦纯载荷转移比，冲击峰与静态载荷被合并分析。
3.2.2 代谢数据分析：通过Cosmed K5测量三地形有/无外骨骼负重行走净代谢成本（net metabolic cost），NE条件下HLG、GUG和GMR分别为5.22 ± 0.22 W/kg、5.53 ± 0.30 W/kg和7.75 ± 0.29 W/kg，GMR较HLG增加48.47%。EXO条件下分别降至4.37 ± 0.12 W/kg、4.87 ± 0.17 W/kg和6.86 ± 0.23 W/kg；代谢成本降低分别为HLG 16.28%、GUG 11.93%、GMR 11.48%，各单一地形内均显著。代谢节省幅度随地形复杂度增加呈描述性下降；但地形×设备交互不显著，故不能确认地形间代谢节省幅度差异。原文认为HLG下人—外骨骼接触紧密、力传递路径连续，卸载表现最佳；GUG可引起轻度步态畸变和下肢绑带滑移；GMR中垂直重力做功增加并伴下肢界面滑移，进一步降低载荷转移效率。尽管交互效应不显著，外骨骼机械支撑仍可降低负重行走时肌肉负荷，验证其在复杂地形下的助力能力。
讨论总结：讨论指出，肩部载荷转移性能可能受地形条件与人体尺寸共同影响。HLG步态稳定、贴合良好、力传递顺畅，效率最佳；GUG不规则扰动被推测可诱导步态畸变和下肢人—机接口微滑移，平均效率下降；GMR中重力与惯性载荷耦合叠加，加剧步态异常和下肢绑带侧向滑移，效率显著降低，体型较小受试者E的滑移更明显，最低效率仅39.84%，提示柔性下肢绑带侧向约束不足是复杂地形下双模态评估性能退化的重要原因。界面滑移会破坏力传递路径，降低外骨骼地面载荷分担能力并削弱实际助力。代谢成本与地形复杂度和受试者心肺功能个体差异相关；NE条件下受试者G基线代谢较高，外骨骼干预后降低更明显；受试者D基线代谢较低，节能提升空间有限。与常规悬吊卸载装置相比，该刚柔耦合外骨骼具有更好的地形适应性；肩部力最大降低55.97%仅为地面载荷转移的间接指标，峰值冲击降低80%，单地形最大代谢降低16.28%，略低于He et al.和Lin et al.报道的室内结果，原文推测差异与下肢结构额外运动能耗、真实户外地形扰动及步态畸变引起的人体基线代谢升高有关。便携式气体分析仪现场测量易受面罩密封不良伪影影响，需在数据采集中严格控制。研究仅纳入7名男性，样本量小且同质，结果外推受限；未来将增加不同性别受试者。DYMH-102不能表征分布界面压力和微滑移，柔性传感器可共形感知并捕捉界面滑移与剪切特征，但重载户外动态条件下存在校准漂移和定量精度不足；未来拟结合刚性高精度力测量与柔性传感阵列同步获取总载荷和分布界面压力。
研究结论（翻译）：利用本研究所建立的力—代谢双模态测试平台，研究人员研制了具有载荷分流和冲击缓冲功能的刚柔耦合下肢承载外骨骼，并在硬质水平地面、草地和缓坡山路三种户外地形开展现场实验。实验结果表明，外骨骼在所有测试地形中实现载荷转移和冲击抑制，降低负重行走代谢成本。尽管助力性能随地形复杂性增加呈下降趋势，但统计检验显示代谢收益幅度在地形间无显著差异；地形条件与代谢降低幅度之间的关联仍需进一步研究。针对实验中观察到的体形贴合和下肢人—机接口滑移的个体差异，可通过优化下肢绑带结构改善人—机耦合性能；同时应实施轻量化设计，减少装置额外质量带来的不必要能量消耗。总之，可基于该双模态平台开展面向多场景鲁棒性的精细化设计，有望实现低能耗、高适应性和高稳定性的现场助力，并推进承载外骨骼在复杂真实环境中的工程部署。
