据世界卫生组织数据，每年 1500 万人中风，75%-80% 幸存者有运动障碍；美国约 4040 万残疾成年人中，不少存在严重行走障碍。全球人口老龄化正让这类问题愈发突出。传统辅助工具如轮椅、拐杖、刚性外骨骼，或限制活动范围，或笨重昂贵。而可穿戴软体机器人（又称“外装” Exosuit）这一革命性技术，正带来改变。

这种被称为"软体外装"的新型康复机器人，正在全球范围内快速发展。不久前，意大利那不勒斯费德里科二世大学的研究团队在《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》期刊上发表了一篇重要的系统性综述，首次全面梳理了 2013 年至 2023 年间软体可穿戴机器人领域的 164 项重要成果，不仅系统揭示了该领域最完整的技术图谱 —— 涵盖 4 大驱动技术、55 种气动装置及 59 种电缆系统的全维度解析，更清晰呈现了这一快速发展领域的技术全貌与未来演进方向。（论文标题和链接在文末）

图注：综述中涵盖的软体外装按照辅助关节分类，从肩部、肘部、手腕到髋关节、膝关节、踝关节，展示了全身各部位的辅助装置

▍从刚性到柔软：康复机器人的范式转变

传统康复机器人多采用刚性外骨骼结构。这些设备虽然能提供强大支撑，但也带来诸多问题。研究团队在综述中指出，刚性外骨骼"可能复杂、沉重且笨重，从而可能增加代谢成本，将其限制在研究实验室或昂贵的临床环境中"。

软体外装的设计理念完全不同。它们"被设计成类似服装，包裹在使用者身体周围"，"与使用者的肌肉协同工作，依靠人体的完整性在不同身体部位之间传递力量"。这种设计不仅提高了舒适度，更重要的是保留了使用者的自然运动范围。

图注：三种辅助机器人对比：(A) APEX-Alpha刚性外骨骼 (B) EMU末端执行器 (C) McKibben驱动的软体肘部外装

▍技术路线全景：四大驱动方式的优劣权衡

综述将软体外装的驱动技术归纳为四大类别，每种都有其独特的技术特点和应用场景。

流体驱动：应用最广但面临便携性挑战

在综述涵盖的设备中，有55个采用了流体驱动技术，其中绝大多数是气动驱动。这类执行器由"包裹在织物或弹性材料袋中的充气腔室"组成，通过压力流体的充放实现运动。

气动驱动的优势在于制造相对简单，可以通过模具或3D打印实现。更重要的是，它能产生多样化的运动形式——弯曲、扭转、膨胀和收缩，这些特性使其特别适合模拟人体肌肉的复杂运动。

然而，挑战同样明显。综述指出："这些执行器有一些固有的局限性，如响应缓慢、需要压缩机、泵和电源。此外，它们通常是有缆的，限制了便携性。"

图注：流体驱动执行器工作原理示意图

电机电缆驱动：模拟肌腱的精确控制

电机电缆驱动是第二大类技术，有59个设备采用。这种机制"依靠使用电机产生运动"，通常包括"电机、齿轮箱、滑轮/线轴和电缆"。其工作原理类似人体肌腱——电缆沿身体布线，一端连接电机，另一端锚定在身体上。

这种技术的优势在于"精确控制和高带宽，同时允许远程驱动"。电机可以放置在背包或腰带上，通过Bowden鞘管将力传递到需要辅助的关节，使穿戴部分保持轻量化。

但电缆驱动也面临独特挑战。综述特别提到："在驱动过程中，电缆可能相互摩擦以及与人体摩擦，导致摩擦和潜在的皮肤损伤。"为了缓解这个问题，电缆通常被放置在Bowden鞘管中，但这"可能引入额外的摩擦和间隙问题"。

图注：电机电缆驱动机制示意图

形状记忆合金：安静高效但响应较慢

形状记忆合金（SMA）是一种特殊的金属材料，"具有记忆和恢复其原始形状的独特能力"。当SMA被加热到转变温度以上时，它会恢复到初始形状，产生驱动力。

SMA的优势包括"高能量密度、成本效益和安静运行"。这使其特别适合需要静音运行的应用场景，如在办公室或家庭环境中使用的辅助设备。

然而，综述也指出了SMA的局限性："有限的行程和带宽"，以及"应力诱导的相变和相关的伪弹性、速率相关滞后和温度相关响应，使其控制具有挑战性"。

图注：形状记忆合金的驱动机制

介电弹性体：前沿技术但安全性存疑

介电弹性体执行器（DEA）代表了最前沿的技术方向。它由"夹在两个柔顺电极之间的介电层"组成，施加电压时产生变形。

DEA的性能参数令人印象深刻："非常高的输出应变高达300%和大带宽"，同时"静音、轻量、柔软"。但综述明确指出了其应用障碍："它们的高工作电压可能是一个安全问题"，这严重限制了其在可穿戴设备中的应用。

图注：介电弹性体执行器结构

▍从肩到踝：全身各关节的辅助方案

综述的另一个重要贡献是对各个关节辅助装置的系统梳理。研究团队不仅分析了单关节辅助系统，还特别关注了多关节协同辅助的发展趋势。

上肢辅助：从抓握到举臂的全方位支持

肩关节辅助主要采用气动驱动。综述介绍了多种创新设计，如使用"Y"形充气执行器放置在腋下支撑肩部外展，或采用卷轴式气动执行器有效解决了低压下的屈曲问题。

图注：各种肩部外装设计，展示了不同的气动和电缆驱动方案

肘关节装置则更多采用电缆驱动。LUXBIT系统的创新之处在于使用"V形织物夹将电缆拉力转换为推力"，有效减少了对皮肤的剪切力。另一个有趣的设计是使用扭绳执行器（TSA），能产生30-40%的输出应变。

图注：肘部外装的多种设计方案

手部康复是需求最大的领域。综述分析了超过40种手部辅助装置，从简单的单向弯曲辅助到复杂的五指独立控制。其中，Exo-Glove采用仿生肌腱驱动机制，BiomHED则模仿人手的肌腱单元结构，展现了不同的技术路径。

图注：腕部外装的多种设计方案

图注：各种手部辅助装置的设计方案

下肢辅助：让行走重新变得轻松

下肢辅助系统面临更大的力量需求。髋关节外装如SR-HExo采用"两组扁平气动人工肌肉"，以X形配置提供屈伸双向辅助。实验数据显示，同时辅助髋关节和踝关节时，"行走的代谢成本降低了14.6%"。

图注：髋关节外装的各种设计

膝关节装置的创新集中在提高输出扭矩上。研究者开发了褶皱气动界面执行器（PPIA），通过"两个谷折和一个山折"的结构设计，产生屈曲效应以增强刚度和输出扭矩。

图注：膝关节辅助装置

踝关节作为行走的关键部位，其优化直接影响能量消耗。研究发现，"在步态周期的43%时提供辅助，可实现0.64±0.05 W/kg的最大代谢成本降低"。这一精确的时机控制展示了软体机器人控制的重要性。

图注：踝关节外装的多种方案

▍软硬结合：混合设计的新趋势

综述特别强调了一个重要趋势——混合设计。纯软体设计虽然舒适，但"机械效率低下，无法正确分配压力"。因此，越来越多的研究开始在关键部位引入轻质刚性组件。

SPAR手部装置使用"加强的弯曲刚性掌杆引导肌腱"，有效减少了手套变形。半刚性膝关节装置通过链式机构，既保证了灵活性，又提高了力传递效率。研究表明，"将界面放置在骨性标志处可以减少剪切变形的影响"。

图注：各种混合设计的软硬结合外装

▍从实验室到市场：商业化进展与挑战

综述追踪了软体可穿戴机器人的商业化进程。目前已有几款产品进入市场：

ReWalk Robotics的ReStore专注于踝关节辅助，帮助中风患者改善步态。Carbonhand通过辅助手指弯曲，让脊髓损伤或中风患者重获抓握能力。Neomano使用背侧电缆驱动机制弯曲中指和食指，配有可调节的金属支撑以适应不同尺寸的物体。

图注：已商业化的软体外装产品

然而，挑战依然严峻。物理接口方面，研究表明"周向肢体压力在10-18 kPa时变得疼痛，在25kPa以下甚至无法忍受"。如何在提供足够辅助力的同时保证舒适性，仍是待解难题。

驱动系统方面，每种技术都有其局限：气动系统需要解决便携性问题，电缆驱动面临摩擦和皮肤损伤风险，SMA响应速度慢，DEA则存在高压安全隐患。

▍未来展望：无缆、多关节、自然直观

综述在结论中明确指出："未来的目标应该是开发一种无缆辅助设备，能够为多个关节提供辅助，同时具有低外形因素、直观自然的界面，并且对使用者舒适。"

这需要材料科学、机械工程、控制理论等多学科的深度融合。新材料的开发尤为关键——既要柔软舒适，又要足够坚固；既要轻量便携，又要输出强大。控制系统需要更智能，能准确感知使用者意图，在恰当时机提供恰当辅助。

软体可穿戴机器人代表着康复技术的未来方向。正如综述所言："软体执行器和用于康复与辅助的机器人设备是一个快速增长的研究领域。"随着技术不断进步，这些"穿在身上"的机器人终将走出实验室，真正改变数百万行动不便者的生活。

论文标题：

Advancements in Soft Wearable Robots: A Systematic Review of Actuation Mechanisms and Physical Interfaces

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10542466/figures#figures