软体机器人服增强老年人坐站转换和行走效率

《Nature Communications》：Enhancing sit-to-stand transitions and walking efficiency in older adults with a soft robotic suit

　　

与年龄相关的肌肉力量和神经肌肉控制下降使得坐站转换和行走逐渐更加困难，损害了活动能力和独立性。尽管可穿戴辅助技术已被提出用于缓解这些挑战，但很少有技术显示出在帮助仍保留一定独立活动能力的老年人完成坐站转换动作方面的明确益处。在此，研究人员介绍了一种软髋外装（soft hip exosuit），旨在辅助坐站转换和行走活动。在一项涉及十名老年人的可行性研究中，与无辅助条件相比，该外装使1分钟坐站重复次数平均增加了1.8次，并将行走的代谢成本（metabolic cost）降低了13.6%。这些改善是在保持自然运动学（kinematics）、下肢稳定性以及强烈自主感（sense of agency）的同时实现的。研究人员的发现表明，软体外装可以在保持生物力学自然性和用户自主性的同时，增强老年人的坐站和行走表现，凸显了其在实际居家活动辅助中的潜力。

论文解读文章

**研究背景与问题**
随着全球人口老龄化加速（预计到2030年，全球六分之一的人将年满60岁或以上），维持老年人的活动能力和独立生活成为日益重要的公共卫生优先事项。与年龄相关的肌力下降和神经肌肉协调能力减弱，使得从椅子上站起来和保持高效行走变得越来越困难，这导致活动减少、功能衰退加速，并增加跌倒风险。这些问题促使研究人员开发适合日常使用的可穿戴辅助技术。软体、基于纺织物的外装（exosuits）因其轻量、柔顺、能够在提供辅助的同时保持自然运动而具有前景。然而，现有的坐站转换辅助技术大多沿用刚性外骨骼范式，如混合辅助肢体（Hybrid Assistive Limb, HAL）和动力膝关节装置，这些设备主要针对严重运动障碍用户，其质量、结构刚性和对外部支持的依赖限制了其在社区居住老年人中的应用。现有的软体坐站辅助系统多为被动式，依赖弹性元件存储和释放能量，其辅助力大小和时机与关节运动学和弹性变形耦合，限制了独立控制能力和适应快速变化辅助需求的能力。主动肌腱驱动软体外装有望通过精确调节辅助力来克服这些限制，同时在一个轻量可穿戴系统中支持坐站转换和行走。解决这些挑战可能促进软体可穿戴辅助技术的更广泛采用，并帮助缓解与年龄相关的功能性活动能力下降。

**研究内容与结论**
本研究提出并评估了一种软肌腱驱动髋外装（soft tendon-driven hip exosuit），旨在为下肢功能表现降低的老年人提供坐站转换和行走辅助。该外装通过人工肌腱传递辅助力，在坐站转换和行走过程中提供生物力学上有意义的髋关节伸展辅助，同时保持柔软、服装兼容的形式以供日常使用。研究人员假设软体外装将改善老年人的坐站表现并降低行走的代谢成本，并进一步假设该外装将在保持自然下肢生物力学、稳定性相关表现以及用户主动控制运动能力的同时，提高运动效率。在一项涉及10名老年人（平均年龄77.7±6.1岁）的可行性研究中，外装辅助使1分钟坐站测试（1-minute sit-to-stand test, 1MSTS）的重复次数平均增加1.8次（p=0.006），单次坐站周期时间缩短9.0%（p=0.015），在6分钟行走测试（6-minute walking test, 6MWT）中，行走的代谢成本（metabolic cost of transport）平均降低13.6%（p=0.030）。这些改善是在保持自然下肢运动学和稳定性相关指标的同时实现的，且用户报告了强烈的自主感（sense of agency），平均得分为6.07±0.38（7分量表，显著高于中性点4，p<0.001）。研究结果表明，软体外装可以在保持生物力学自然性和用户自主性的同时，增强老年人的坐站和行走表现，凸显了其作为实际居家活动辅助手段的潜力。该论文发表在《Nature Communications》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用了一种层级控制框架（hierarchical control framework），包括上层运动模式识别和步态相位估计模块，以及下层执行器参考轨迹生成模块。上层利用安装在用户大腿两侧的惯性测量单元（IMU）传感器采集运动学信号，通过有限状态机（finite state machine, FSM）识别坐姿或行走模式，并采用随机森林回归算法（random forest regression algorithm）实时连续预测步态相位。下层根据上层输出生成定制化的执行器参考轨迹，并通过比例控制器（proportional controller）驱动电机转动，带动人工肌腱（woven Kevlar）通过鲍登鞘（Bowden sheaths）传递辅助力至髋部和腿部锚点。实验采用受试者内设计，比较了外装辅助开启（ExoOn）和辅助关闭（ExoOff）两种条件。样本队列来源为10名社区居住老年人（6女4男，年龄69-85岁，平均77.7±6.1岁），来自海德堡医学院伦理委员会批准的招募。

**研究结果**
**坐站转换效率在老年人中显著提高**
研究人员通过1分钟坐站测试（1MSTS）评估坐站表现。与无辅助条件（ExoOff）相比，外装辅助条件（ExoOn）下，1MSTS重复次数平均增加1.8±0.5次（16.8±1.7 rep. vs. 18.6±1.9 rep., n=9, p=0.006），单次坐站周期时间减少9.0%（n=9, p=0.015），其中坐站阶段时间减少3.0%，站坐阶段时间减少7.5%。结果表明外装促进了坐站转换的两个阶段。

**行走代谢成本显著降低**
通过6分钟行走测试（6MWT）评估行走能量效率，代谢成本（metabolic cost of transport）在ExoOn条件下平均降低13.6%（从2.63±0.12 Jkg^-1m^-1降至2.27±0.11 Jkg^-1m^-1, n=9, p=0.030）。自选行走速度在ExoOn条件下非显著降低约5.0%。

**下肢自然运动学和稳定性基本保持**
在坐站和行走任务中，髋关节和躯干运动学（角度轨迹、运动范围、峰值速度）在ExoOff和ExoOn之间无显著差异。通过地面反作用力平台记录的中心压力（center of force, COF）轨迹的95%置信椭圆面积、前后向和内外向半轴长度，以及总地面反作用力和质心速度曲线，在两种条件之间均无显著差异。结果表明外装提高了坐站效率而未对运动稳定性和相关指标产生不利影响。

**老年人的自主感得到保持**
通过10项自主感问卷（7点Likert量表）评估，在ExoOn条件下，老年人报告的平均自主感得分为6.07±0.38，显著高于中性中点4（n=10, p<0.001）。问卷内部一致性良好（Cronbach's α=0.86）。正向题项得分集中于高分端，反向题项经反向编码后反映参与者普遍拒绝了控制感降低的陈述。

**讨论与结论**
研究结果表明，软肌腱驱动髋外装能够为下肢功能降低的老年人提供坐站和行走的功能性和能量代谢收益，同时保持自然运动模式和强烈的自主感。坐站重复次数增加1.8次，周期时间缩短9.0%，行走代谢成本降低13.6%，这些改善并非以显著改变运动行为为代价。个体间存在较大异质性，提示辅助参数可能需要个性化调整。研究局限性包括：主要实验设计仅比较了ExoOff和ExoOn两种条件，未包含无外装条件（NoExo），但补充实验（7名参与者）显示ExoOn相对于NoExo的改善幅度与ExoOff vs ExoOn相当；外装辅助在坐站转换中主要提供部分髋伸展支持，而非完全替代用户努力；评估仅在短期实验室任务中进行，长期日常使用效果尚不明确。未来研究需进行纵向研究，量化真实环境中的运动学、代谢成本及用户接受度，并探索个性化辅助参数优化。

**研究结论翻译**：
研究人员的发现表明，软体外装可以在保持生物力学自然性和用户自主性的同时，增强老年人的坐站和行走表现，凸显了其作为实际居家活动辅助手段的潜力。