新加坡南洋理工大学王一凡课题组AM：可定制的仿生人体外骨骼织物
新加坡南洋理工大学王一凡课题组AM：可定制的仿生人体外骨骼织物
近年来，随着科学技术的发展，机械外骨骼逐渐走入了大家的生活，从小说，游戏到影视，“机械外骨骼”作为科幻的重要组成元素，一直广受读者和观众追捧。早期人们受到甲虫的启发，尝试发明由钢铁框架构成并且可由人穿上的机械装置，这就是机械外骨骼，通常又称为“动力外骨骼”（Powered exoskeleton），其实质上是一种可穿戴机器人。然而，此种机械外骨骼常常由坚硬的部件所构成，在穿戴过程中往往给人们带来不舒适的体验。
近日，新加坡南洋理工大学的王一凡教授团队从生物体的铠甲中得到灵感，例如犰狳的外壳由胶原纤维连接的骨质瓷砖组成，这些骨质瓷砖的集体组装、滑动、旋转和分离，赋予了犰狳巧妙的形状变换能力和可调的机械特性。基于此，王一凡教授团队提出了一种由柔软纤维连接骨质瓷砖而构成的主动织物，通过利用柔软纤维组装这些具有独特形状的瓷砖（颗粒），可以主动、可逆地实现从平面到复杂三维曲面的转变。同时，通过调节瓷砖（颗粒）的边界约束，可以实时调节变形后三维结构的力学性能。这一织物在初始状态下，就像传统的布料一样柔软，而当施加边界约束时，这些瓷砖（颗粒）组装起来形成人体关节的特定形状，并且刚度在边界约束下大大提升，为人体关节提供足够的支撑和保护。同时，该织物可以通过逆向设计(inverse design)来达到对于不同人体部位的定制化设计。这一研究成果以“Active fabrics with controllable stiffness for robotic assistive interfaces” 为题，发表在国际知名期刊Advanced Materials上。
创新点
1.与传统的坚硬的刚质外骨骼不同，本研究提出的主动织物，通过将复杂的三维曲面分解成离散的颗粒，通过颗粒的可控组装，实现了从二维平面到三维曲面的转换，得到的织物在柔软状态下能柔顺的包裹人体表面，变形后的结构也可以贴合人体的关节。同时，该织物可以通过逆向设计(inverse design)来达到对于不同人体部位的定制化设计。
2.与传统的变形材料依赖其材料或结构柔软性不同，本研究提出的主动织物能够通过调节瓷砖（颗粒）的边界约束，实时调整结构的力学性能。不仅具有织物的柔软性，也具有结构的支撑和保护性。
3.与其他依靠充气或者热响应材料来调节刚度的织物不同，本项研究的刚度能够实时调节，并且在驱动后的体积仍然能维持在很小的状态，更适合日常的穿戴。
研究内容
本研究的作者在生物体内分割结构的启发下，汲取犰狳由纤维连接的刚性骨骼瓦片的相对滑动机制提出了一种主动织物，通过拆分的方式将任意复杂的三维曲面分解成离散的瓷砖（颗粒），通过利用柔软纤维组装这些具有独特形状的瓷砖（颗粒），从而实现从柔软织物到支撑结构的转变（图1）。
图 1. 主动织物的设计框架示意图
研究者展示了几种人体的特殊部位，以突显本设计方法的通用性（见图2）。
图 2. 四个典型的人体部位展示设计的普适性。
在本文的设计中，通过调节颗粒的边界约束，实现结构力学性能的实时控制（见图3）。
图 3.力学性能表征。
作为应用示例，研究者展示了此类织物作为外骨骼的应用，展现了其作为抑制震颤的腕关节外骨骼（见图4）、帮助提重物的肘关节外骨骼（见图5和图6）以及防冲击的智能头盔（见图7）的应用。
图 4. 作为外骨骼抑制腕关节震颤的应用。
图 5. 作为肘关节外骨骼帮助拿重物减轻肌肉疲劳的应用。
图 6. 利用电机实现主动驱动来帮助提升重物的应用。
图 7. 智能变形头盔用于防冲击的应用。
总结展望
该研究工作以“Active fabrics with controllable stiffness for robotic assistive interfaces”为题，发表在国际著名期刊 Advanced Materials上。新加坡南洋理工大学王一凡教授（Nanyang Assistant Professor）为论文的通讯作者，博士生杨旭东与硕士生陈语为论文的共同第一作者。