更多的并不总是更好：较高外骨骼扭矩并非一致改善平衡表现

《Journal of Biomechanics》：More isn’t always better: Higher exoskeleton torque does not consistently improve balance performance

　　

可穿戴外骨骼是增强平衡和降低跌倒风险的有前景的工具。近期研究表明，主动式踝关节外骨骼需要比人类更快速地动作以改善反应性平衡控制。然而，对于改善反应性平衡的最佳外骨骼扭矩幅值仍属未知。基于最小化代谢消耗的最优扭矩，研究人员假设增加外骨骼扭矩将改善反应性平衡。参与者穿戴双侧踝关节外骨骼，在15 cm向后支撑面扰动下保持站立平衡。测试了三种外骨骼跖屈扭矩条件：无（NO，关闭）、低（LOW，15 Nm）和高（HIGH，30 Nm）。与NO相比，LOW扭矩改善了平衡表现（p < 0.001），峰值质心（CoM）位移减小7 ± 3%。尽管HIGH扭矩使峰值CoM位移较NO减小9 ± 11%（p = 0.12），但由于受试者间变异性大，该差异不显著。LOW扭矩在所有参与者中均降低峰值CoM位移（范围：?0.2至?1.6 cm），而HIGH扭矩仅在部分参与者中降低（范围：1.2至?2.6 cm）。通过窄梁行走测试量化的平衡能力解释了从LOW到HIGH扭矩时CoM位移变化中37%的方差（R² = 0.37，校正R² = 0.29，p = 0.06），虽然这一关系未达到常规统计显著性，可能由于样本量较小，但提示较高水平的外骨骼扭矩可能对平衡能力较优的个体产生不利影响。综上，更多的外骨骼扭矩并不总是对平衡有益，凸显了在平衡增强中外骨骼扭矩个性化的潜在需求。

人类维持站立平衡需要持续肌肉活动将较高的质心（CoM）保持在支撑面内。跌倒常导致创伤，在老年和神经肌肉病变人群中尤为突出，对医疗系统和社会心理造成巨大负担。机器人外骨骼被认为是增强平衡、降低跌倒风险的有前景的手段。然而，如何确定平衡增强外骨骼的控制参数，特别是外骨骼扭矩幅值，目前仍不清楚。以往研究多聚焦于稳态行走中最小化代谢能耗的外骨骼参数优化，发现较高扭矩（约50 Nm）更优，但平衡增强要求外骨骼在生理反馈响应之前更快地施加扭矩，因此行走研究结论不能直接外推。此外，个体差异也可能影响最优扭矩。本研究针对这些问题，评估不同幅值双侧踝关节外骨骼跖屈扭矩对健康年轻人反应性平衡的影响，并探索身高、平衡能力及皮质参与是否与个体差异相关。

研究人员招募了10名健康年轻成年人（6男4女；年龄26±3岁；身高1.77±0.11 m；体质量79±14 kg），所有参与者签署知情同意，研究经埃默里机构审查委员会批准。参与者穿戴双向外骨骼ExoBoots（EB504，Dephy公司），在15 cm向后支撑面平移扰动下保持站立平衡。实验设置三种外骨骼跖屈扭矩条件：无扭矩（NO，1 Nm预紧）、低扭矩（LOW，峰值15 Nm）和高扭矩（HIGH，峰值30 Nm）。采用随机顺序，每个条件进行4次有效扰动。通过运动捕捉和力台数据计算逆运动学和逆动力学，得到峰值CoM位移。使用窄梁行走测试量化平衡能力，并用延迟CoM反馈模型在无扭矩条件下估计皮质参与增益。

主要技术方法如下：研究样本来源于埃默里大学招募的10名健康成年人（年龄26±3岁，6男4女）。参与者佩戴双侧Dephy ExoBoots外骨骼，利用平台施加15 cm向后支撑面平移扰动，采集地面反作用力（1000 Hz）和33个反光标记运动学数据，基于OpenSim逆运动学和逆动力学计算关节角度与力矩，并以合力估算CoM位移。外骨骼通过机载加速度计检测扰动触发，采用开环电流控制产生预设跖屈扭矩波形（0/50/100%设备峰值）。平衡能力通过渐进窄梁行走测试评分量化；皮质参与度通过延迟CoM反馈模型拟合无扭矩条件下的踝关节力矩响应，提取反馈增益。

结果部分如下：

3.1 更多的外骨骼扭矩改善了一些但并非所有参与者的平衡表现：低扭矩相比无扭矩显著降低峰值CoM位移（7±3%，p < 0.001），所有参与者均改善；高扭矩相比无扭矩平均降低9±11%，但未达到显著（p = 0.12），个体变异大，具体表现为5人进一步改善，2人恶化，3人无明显变化。

3.2 导致高个体间变异性的因素：将不同扭矩条件下的CoM位移变化量ΔCoM与平衡能力、身高、皮质增益进行回归。发现窄梁行走得分与ΔCoM呈趋势性相关（R² = 0.37，校正R² = 0.29，p = 0.06），表明平衡能力较高者在高扭矩下表现可能变差。身高与ΔCoM无关（R² = 0.04，p = 0.56）。延迟CoM反馈模型成功重建了无扭矩条件下的踝关节力矩响应，得到早期反馈环（λ₁ = 107±15 ms）和晚期反馈环（λ₂ = 196±33 ms），晚期反馈环的加速度增益K_A2估计皮质参与程度，与ΔCoM无关（R² = 0.20，p = 0.19），其他增益也均无显著关系（p > 0.17）。

讨论部分：研究发现外骨骼扭矩并非越大越好，这与行走中代谢优化的结论不同。原因可能在于两种任务的控制策略不同。另外，个体差异对扭矩响应有重要影响，同样的高扭矩对一些人有益，对另一些人有害。尤其值得注意的是，平衡能力较好者可能受到高扭矩的干扰，可能是因为其内在平衡校正反应已经高度适应，额外的外骨骼扭矩成为一种扰动。未来需要研究训练和个性化优化，以及在不同人群中的效果。研究局限包括未直接测量实际施加扭矩，因此无法在低/高扭矩条件下估计皮质参与；仅施加跖屈扭矩且仅评估单方向单一幅度扰动；样本量较小，相关分析可能功效不足，应视为假说生成。

结论翻译：较高的外骨骼扭矩幅值并不总是更有利于平衡表现。一些个体从较低的外骨骼扭矩幅值中获益更多，而另一些个体则从较高的外骨骼扭矩幅值中获得更好的平衡表现。平衡能力较好者实际上可能因过高的外骨骼扭矩而受到阻碍。虽然未来仍需探究驱动外骨骼表现的因素，但我们的结果凸显了在增强平衡表现时可能需要个性化外骨骼控制器。该研究发表在《Journal of Biomechanics》。