《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Why inverse simulations overestimate optimal ankle exoskeleton assistance: the role of bi-articular coordination and joint stiffness
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背景：踝足外骨骼（ankle-foot exoskeleton）可在行走过程中减少肌肉活动和代谢能量消耗。实验研究一致表明，次最大辅助（submaximal assistance），通常提供生物跖屈力矩（plantarflexion moment）的40–60
背景：踝足外骨骼（ankle-foot exoskeleton）可在行走过程中减少肌肉活动和代谢能量消耗。实验研究一致表明，次最大辅助（submaximal assistance），通常提供生物跖屈力矩（plantarflexion moment）的40–60%，能最大程度降低代谢功率（metabolic power）。逆向肌肉骨骼模拟（inverse musculoskeletal simulation）忽略了舒适度和平衡等因素，也预测次最大辅助是最优的，但辅助水平高于实验观测值。次最大辅助及其与实验观测不一致的生物力学机制仍不甚明了。方法：在这项研究中，研究人员使用行走的逆向模拟（inverse simulation），系统检查了10个辅助水平（0–100%的生物跖屈力矩）下的肌肉-肌腱动力学（muscle-tendon dynamics）、代谢功率和踝关节刚度（ankle joint stiffness）。结果：研究人员发现，腓肠肌（gastrocnemius）的双关节作用（bi-articular role）限制了最高辅助水平下代谢功率的降低。一项改变股二头肌短头（biceps femoris short head）力量的敏感性分析（sensitivity analysis）为该机制提供了因果确认。研究人员进一步表明，增加辅助会显著降低踝关节刚度，降幅高达55%，主要原因是比目鱼肌（soleus）的去招募（de-recruitment）。结论：这些发现既解释了逆向模拟中次最大辅助的原因，也提出了外骨骼模拟框架（exoskeleton simulation framework）中一个缺失的控制目标。由于标准的基于努力的成本函数（effort-based cost function）不惩罚关节机械阻抗（joint mechanical impedance）的降低，这种努力最小化与刚度保持之间的权衡可能有助于解释为什么基于模拟的最优辅助超过了实验观测值。逆向模拟不建模鲁棒性（robustness），而阻抗保持（impedance preservation）可作为一种易处理的公式。考虑这样的项可能代表更准确预测最佳外骨骼辅助的新方向。
论文解读文章
**研究背景与问题**
踝足外骨骼（ankle-foot exoskeleton）在行走过程中可有效降低肌肉激活和代谢能量消耗。实验研究一致表明，次最大辅助（submaximal assistance），即提供生物跖屈力矩（plantarflexion moment）的40–60%，能最大程度降低代谢功率（metabolic power）。然而，基于逆向肌肉骨骼模拟（inverse musculoskeletal simulation）的研究也预测次最大辅助是最优的，但辅助水平高于实验观测值。这种差异背后的生物力学机制尚不清楚。现有解释包括界面力导致的不适、自然运动协调的破坏以及肌肉力学变化降低力生成能力等，但尚不确定这些因素是否完全解释次最大最优，或是否存在肌肉骨骼系统固有的生物力学约束在起作用。此外，基于努力的逆向模拟预测最优辅助水平高于实验观测，表明当前建模方法可能忽略了重要约束，例如关节阻抗（joint impedance）的调节。因此，本研究旨在通过逆向模拟，系统探究次最大辅助的机制，并量化辅助水平对踝关节刚度（ankle joint stiffness）的影响。
**研究内容与结论**
研究人员使用行走的逆向模拟，系统检查了10个辅助水平（0–100%生物跖屈力矩）下的肌肉-肌腱动力学（muscle-tendon dynamics）、代谢功率和踝关节刚度。研究发现，腓肠肌（gastrocnemius）的双关节作用（bi-articular role）是限制最高辅助水平下代谢功率降低的关键因素。通过改变股二头肌短头（biceps femoris short head）力量的敏感性分析（sensitivity analysis），确认了该机制的因果性。此外，随着辅助增加，踝关节刚度显著降低（高达55%），主要源于比目鱼肌（soleus）的去招募（de-recruitment）。这些发现揭示了逆向模拟中次最大辅助的原因，并指出当前外骨骼模拟框架（exoskeleton simulation framework）中缺失了一个控制目标——关节阻抗的保持。该研究发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。
**主要技术方法**
研究使用了来自先前研究的运动捕捉和地面反作用力数据，样本包括8名参与者（6男2女，年龄39.0±8.6岁，身高1.77±0.10m，体重81.1±14.1kg，行走速度1.29±0.09m/s），数据收集于Promobilia MoveAbility Lab。基于OpenSim的缩放工具生成个体化肌肉骨骼模型（gait2392模型，含43块肌肉/腿）。采用逆向模拟方法，通过优化问题求解肌肉控制，代价函数最小化肌肉激活的平方和。外骨骼模拟为理想力矩作动器施加于踝关节。代谢功率使用Bhargava等模型计算，关节刚度通过肌肉-肌腱动力学推导。
**研究结果**
1. **次最大踝关节辅助在约60%净跖屈力矩时最小化肌肉激活，在约80%时最小化代谢功率**：该结果在所有受试者中一致，主要与腓肠肌的双关节功能相关。在无辅助条件下，腓肠肌在支撑中期和摆动前期同时贡献踝跖屈和膝关节屈曲力矩。随着辅助增加，肌肉产生的踝跖屈力矩需求下降，但膝关节屈曲力矩不变，因此比目鱼肌力矩接近零，而腓肠肌力矩降低但仍有部分激活以满足膝关节屈曲需求。当辅助过高时，外骨骼与腓肠肌的联合跖屈力矩超过净踝关节力矩，导致胫骨前肌（tibialis anterior）代偿性激活，同时膝关节屈肌（如股二头肌短头）激活增加。
2. **基于努力的目标之间最优辅助水平的差异是代偿策略和每种目标对肌肉贡献权重的副产品**：在最小化激活的最优辅助下，比目鱼肌几乎被抑制，腓肠肌减少约20%；进一步增加辅助降低腓肠肌但增加胫骨前肌和股二头肌短头，总体激活升高。在最小化代谢功率的最优辅助下，更高辅助水平得以维持，因为完全抑制比目鱼肌和降低腓肠肌的收益超过了代偿肌肉的代谢功率成本。
3. **外骨骼辅助影响操作长度和速度，但力生成能力的变化不解释次最大辅助**：辅助增加时，跖屈肌的力-长度-速度关系因子（force-length-velocity multiplier）略有增加，因此力生成能力不是次最大辅助的主要机制。相反，胫骨前肌的瞬时力生成能力随辅助增加而下降，股二头肌短头基本不变。
4. **改变股二头肌短头力量改变了腓肠肌对膝关节屈曲力矩的相对贡献，确认了双关节协调的机制**：增强股二头肌短头力量时，腓肠肌对膝关节屈曲的贡献减少，允许更高辅助水平而无胫骨前肌代偿，最优辅助水平升高；减弱力量则相反。
5. **踝关节刚度在无辅助条件下呈现特征性时变剖面**：刚度在负载响应后逐渐增加，在50%步态周期达到峰值。比目鱼肌是刚度主要贡献者（约55%），腓肠肌内侧贡献约20%。
6. **增加外骨骼辅助显著降低支撑相踝关节刚度**：峰值刚度渐进降低，最高达约55%的减少。比目鱼肌刚度贡献下降65%后趋于平稳，腓肠肌刚度降低较缓，胫骨前肌刚度在中等辅助时增加但仅部分抵消跖屈肌的降低。
**讨论与结论**
**讨论部分总结**：腓肠肌的双关节作用解释了逆向模拟中为何部分而非完全辅助是最优的。这一发现与部分实验观测一致，但实验中外骨骼辅助并未导致胫骨前肌或股二头肌短头的代偿性增加，表明逆向模拟正确捕捉了定性约束（部分腓肠肌活动持续），但因果路径不同。辅助力矩轨迹或代谢成本模型的选择不太可能解释与实验的差异。无辅助条件下的踝关节刚度预测与实验测量一致。辅助增加导致的刚度显著降低是努力最小化的机械后果，因为比目鱼肌同时是主要代谢贡献者和刚度来源，抑制它会牺牲关节阻抗，这是神经肌肉系统难以接受的。这解释了为什么模拟最优辅助高估实验值：优化器抑制比目鱼肌超过系统可接受的范围。这些发现激励扩展逆向模拟代价函数以考虑阻抗调节，例如多目标优化或约束最小可接受阻抗。
**研究结论翻译**：本研究解释了为什么基于努力的肌肉骨骼模拟预测次最大踝关节外骨骼辅助，以及为什么它们可能系统性地高估峰值辅助力矩。研究人员表明，次最大辅助主要源于双关节协调：腓肠肌保持活动以满足膝关节屈曲需求，而过度辅助需要来自踝背屈和膝关节屈曲的代偿力。研究人员进一步表明，增加辅助显著降低踝关节刚度（高达约55%），主要通过降低比目鱼肌激活实现，这是当前基于努力的代价函数所不惩罚的后果。这些发现表明，模拟与实验观测之间的不一致可能不仅源于适应或舒适度限制，而是源于当前模型中缺失的神经力学目标。将阻抗调节纳入未来模拟框架可能改善可穿戴机器人的计算机设计，并使计算机模拟与人类运动行为更一致。
