基于气动人工肌肉驱动器变力驱动的手部康复动态夹板（Hand Rehabilitation Dynamic Splint with Variable Force via Pneumatic Artificial Muscle Actuators）

《Annals of Biomedical Engineering》：Hand Rehabilitation Dynamic Splint with Variable Force via Pneumatic Artificial Muscle Actuators

　　

摘要（Abstract）：动态手部夹板（Dynamic hand splint）是配备橡皮筋/弹簧以对手指运动提供被动阻力的康复矫形器。为实现康复训练的实时可控性并潜在改善治疗效果，以软体驱动器（soft actuator）替代弹性元件，使手指能在可控负载下进行抗阻运动具有显著优势。适用于动态手部夹板的理想软体驱动器应在中等力下产生大位移、体积小、比重量低且具电气安全性。研究人员描述了一种嵌入软体气动驱动器作为"逆人工肌肉（inverse artificial muscle）"的动态夹板，其在充气时伸长从而减小抵抗手指屈曲的阻力。采用市售材料组装原型系统，制作驱动器并安装于前臂托架上，一端通过肌腱连接手指，另一端连接板载测力传感器（load cell）以监测手指运动过程中的作用力，并通过两项心理物理测试（psychophysical test）对系统进行评估。关于力感知差异的动态心理物理测试表明受试者能可靠感知力的变化，心理测量曲线（psychometric curve）在50%概率处的斜率约为110%/bar。在手指完全屈曲的静态心理物理测试中，0 bar时最大平均阻力约5.2 N，而逐步增压至受试者报告无力的感知阈值（3 bar）时最小平均阻力低至约0.7 N，表明系统具有良好精度。所开发的主动夹板具备实现动态可控手部康复训练的潜力。

论文解读：

《Annals of Biomedical Engineering》刊载的该研究针对传统动态手部夹板（Dynamic Hand Splint）无法实时调节对抗手指主动屈曲之阻力的问题展开探讨。临床常用的动态夹板依靠固定弹性橡皮筋或弹簧提供被动阻力，虽可改善关节活动度、减轻痉挛及预防肌萎缩，但阻力不可在训练中动态调整，若需更换弹力需暂停治疗重新设置，难以实现个性化、自适应康复方案。将弹性元件替换为可穿戴驱动器构成"主动夹板（active splint）"可实现实时变阻，但现有手部驱动技术——电磁电机-肌腱系统体积与重量大需外置驱动单元；形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）与扭曲卷绕聚合物（Twisted-and-Coiled Polymer, TCP） actuators靠电热激活，能效低且响应慢；介电梯度弹性体（Dielectric Elastomer Actuator, DEA）需高压驱动且出力有限——均难兼顾安全性、轻量化和适中出力。气动软体驱动器具本征电气安全、大变形、轻质等优势，其中气动逆人工肌肉（Pneumatic Inverse Artificial Muscle / Inverse PAM）——即充气受约束径向膨胀而轴向伸长的弹性管状驱动器——适合沿直线提供可变拉伸阻力，恰契合夹板对抗手指屈肌的需求。因此研究人员提出并验证一种基于气动逆人工肌肉的气动手部康复动态夹板，探究其力学特性、有限元建模及人体力感知适用性。

关键技术方法：

研究人员采用市售40 Shore A硅胶弹性管（外径5 mm、内径3 mm）套装0.5 mm尼龙线圈限制径向膨胀制成气动逆人工肌肉（有效长100 mm），两端密封并接入气针。将该驱动器封装于大径硅胶导向管内并固定于铝制刚性基板，后端接10 N量程测力传感器（Load Cell, FLAE?10N）经HX711模块与Arduino Uno采集；前端经0.8 mm不锈钢肌腱（包覆聚氨酯管防摩擦）连至适配各指尺寸的塑料指套，肌腱路由通过Velcro环定位。整体基板黏附Velcro安装于前臂织物支具，气路接外置空压机（0–3 bar）。对三件相同驱动器样品在材料试验机（Zwick/Roell Z0.5）上行预应变10 mm后按0–3 bar每0.5 bar分步充气，再拉伸额外30 mm并循环5次获取力?伸长曲线。建立Abaqus/Simulia四阶Ogden超弹性本构有限元模型，约束径向位移并以等效轴向压力模拟充气效应，进行预伸长?加压?再伸长的准静态仿真并与实验比对。招募健康受试者行两项心理物理测试：①常刺激法（Method of Constant Stimuli）二选一强迫选择（Two?Alternative Forced Choice, 2AFC）测试不同压力下手指屈伸循环中受试者对参照压（1.5 bar）与比较压之受力大小差异感知（N=21）；②阶梯法（Staircase Method）测定手指持续最大屈曲时渐增/减气压下无力感知阈值（N=10）。

研究结果：

Stress–Strain Characterisation（应力?应变表征）：

对三种样品在0–3 bar各压力下做预拉伸10 mm后循环拉伸30 mm，取第5循环稳定曲线分析。结果显示1.5 bar时预拉伸段残余张力归零；低于1.5 bar预拉伸段存正向张力，高于1.5 bar因显著充气致局部失稳出现张力丧失（loss of tension）后再随拉伸升高。定义刚度取力?伸长曲线10%–90%最大力区间线性拟合，随压力单调增加；最大伸长（30 mm）处力与应力随压力升高而下降（等效软化）。证明充气可有效连续调节阻力幅值。

Comparisons Between Experimental and Simulated Mechanical Responses（实验与仿真力学响应对比）：

四阶Ogden超弹性有限元模型较好地复现了0、1、2 bar下的力?伸长曲线及最大伸长处力值，但在3 bar高估反应力——因实验中出现仿真未捕捉的失稳松弛段。表明模型适用于中低压工况预测，高压时需进一步修正失稳行为。

Dynamic Psychophysical Test on Perceptual Differences in Force（力差异感知的动态心理物理测试）：

以1.5 bar为参照，其余压力为比较刺激进行2AFC测试，拟合心理测量曲线呈典型Sigmoid形，50%概率点（Point of Subjective Equality, PSE）对应~1.5 bar与设定参照吻合；曲线在50%概率处斜率~110%/bar，表明受试者能可靠区分不同气压（即不同阻力）带来的力觉差异，验证了变阻的可感知性。

Static Psychophysical Test on Null Force Perception（无力感知阈值的静态心理物理测试）：

手指全屈保持，由0 bar升压至受试者口头报告"无力感"再降压复测取四次均值。平均最大阻力（0 bar）~5.2 N与台架试验~5 N相符；无力感知对应平均残存力~0.7±0.45 N（3 bar），说明系统可将感知阻力降至接近零，调节范围覆盖临床常用单指阻力（约3 N）并留有裕度。

讨论与结论：

既往电活性聚合物（DEA）方案需千伏级高压且出力受限，本研究改用气动逆人工肌肉消除了高电压风险并获得更大可调力范围，代价是需外接气源导致便携性降低并产生噪声，属典型折衷设计。相较文献中类似液压/气动线圈约束伸张驱动器，本研究用硅胶管+尼龙线圈在≤3 bar即获~22%应变，利于缩小气源体积提升安全性。有限元模型在中低压与实验吻合，高压偏差源于未模拟失稳松垂现象。未来可优化夹板轻量化舒适性，引入自感知（self?sensing）特性实现刚度闭环控制，并建立包括手指?夹板接触倾斜效应的生物力学模型深化力传递与感知机理解析。

结论（Conclusion）：研究人员开发的基于气动逆人工肌肉驱动器的主动动态手部夹板可在0–3 bar气压下连续调节对手指主动屈曲的阻力，力学表征与有限元仿真基本吻合，心理物理测试证实受试者能可靠分辨阻力变化并将感知阻力降至近零，该系统具备实现动态可控手部康复训练的潜力。