灵感来自螃蟹，中国西交大首次提出仿生外骨骼关节模型，刚柔一体，突破传统外骨骼边界
导读
外骨骼机器人是由不同机器人零件制成的可穿戴“外壳”，可以提高使用者的力量，能力和稳定性，帮助他们轻松举起百斤重量，或康复治疗。到目前为止，大多数外骨骼都是使用基于固定轴旋转铰链的模型创建的，这种方法虽然简单有效，但它并未反映出人体关节旋转的方式（多中心方式），这会损害或限制佩戴者的运动。最近，中国西安交通大学的研究人员首次提出了一种用于外骨骼机器人的柔性关节建模方法，受螃蟹、龙虾等节肢动物的启发，该方法可以使人类更加自由自然地运动，同时还可以确保对人体的充分支撑。
蟹，肉厚肥嫩，味美色香，各个部位口感不同，但都鲜美的无法形容。
蟹肉嫩滑弹牙，蟹黄鲜香油脂细腻，蟹膏口感丰腴圆润。
一提到吃螃蟹，小编的口水就不争气的从嘴角留下来。
除了肥嫩味美，大自然还赐予了螃蟹坚硬的外壳和灵活的身体。
捉过螃蟹的小伙伴都知道，螃蟹跑的是很快的，据说跑得最快时甚至可达每小时40公里速度，能够捕食并以最快的反应速度逃离危险，那是什么让螃蟹能够如此灵活的移动呢？
秘密就藏在蟹螯的关节上。
蟹螯的关节由一系列共轭表面和柔性组织组成，不仅可以使爪子稳定且灵活的移动，还能大力的夹住敌人。
这种结构能为科学带来什么启示呢？
最近，中国西安交通大学的研究人员受蟹鳌关节的启发，首次提出一种具有反向共轭面的刚柔一体的外骨骼模型，这种方法融合了生物关节优势与人体运动特性，克服了目前外骨骼设备机械结构复杂、适配性差等缺陷，促进更稳定，更结实的外骨骼的发展。
▍解剖节肢动物获灵感，突破传统外骨骼边界
外骨骼可以提高使用者的力量，能力和稳定性，帮助他们轻松举起百斤重量，或康复治疗。目前，大多数外骨骼都是使用“轴旋转”或“N型杆”来作为外骨骼肢体之间的关节，可以很好地复制人体的关节运动。
但“轴旋转” “N型杆”的弊端在于，如果外骨骼中使用大量这样的结构，稳定性会随着连接关节数量的增加而降低。当然也有直接使用软材料作为关节的，但软外骨骼无法为瘫痪的肢体提供高精度的扭矩和运动。
为了突破传统外骨骼关节设计的边界，中国西安交通大学的研究人员解剖并观察了多种节肢动物的关节，典型的几种包括：蝗虫、螃蟹和龙虾。
蝗虫是昆虫类节肢动物弹跳能力最好的一种，研究人员对于其进行了大量的解剖研究，它的弹跳关节是一对可以旋转的共轭表面铰接结构，并且具有柔性组织，由此，研究团队初步提出了具有一对共轭面的刚柔一体的关节模型。
为了探索该关节模型的普遍性，他们进一步选择了水生甲壳类动物，也就是对螃蟹和龙虾进行了解剖研究，同样地，发现螃蟹和龙虾的螯关节也具有锥形的共轭表面结构和一定的柔性组织，与外骨骼的刚性铰链相对应，柔性组织充当关节的顺应性连接器，为关节提供润滑并限制其旋转范围。
解剖实验表明，该模型有效地复制了螃蟹和龙虾四肢移动的方式，这进一步验证了该关节模型在节肢动物中的普遍性。
▍优化的节肢动物关节模型
从生物学的角度来看，节肢动物的外骨骼关节长期使用磨损后，可以通过蜕皮进行修复；然而，对于人类的外骨骼，一旦结合物表面磨损，则损坏是无法修复的。
因此，研究人员进一步提出了一种具有反向共轭表面以避免磨损的运动学模型，在旋转过程中用滚动摩擦力代替了滑动摩擦力。
具体来说，他们采用十字板连接对称共轭面，使共轭面的相对运动为纯滚动，有效地减小了相对摩擦；横板在两个共轭表面之间提供了稳定的连接，并确保了两个共轭表面之间的同步运动。
为了验证该模型的性能，研究人员将其应用在人手外骨骼的康复中。
通过与人手指尖末端轨迹拟合，关节模型的输出端能够精确拟合多特征点轨迹；与常见的连杆结构相比，刚柔一体的共轭面结构更简单，传动效果更加高效，拟合也更精确。
▍下一步，让外骨骼真正听从内心真实想法
这项研究由西安交通大学的研究团队首次提出，并发表于IEEE Access杂志上。
以节肢动物为灵感的关节模型可用于构建更有效的外骨骼或其他机器人结构，以用于各种应用，包括康复或增强人类能力。与其他外骨骼设计策略相比，它可以使人类更加自由自然地运动，同时还可以确保对人体的充分支撑。
该研究团队已经在仿生关节领域研究了多年，并表示：“接下来，我们将进展到功能的研究、材料的优化，推动该技术在康复领域中的实际应用，以及最重要的方面——将其与脑机接口、肌电解码、无线通讯等技术有机地它整合到一起，从而让假肢真正听从内心真实想法，更加灵活地执行相关动作。”
【参考链接】
https://ieeexplore.ieee.org/document/9316259/figures#figures
https://techxplore.com/news/2021-02-bio-inspired-joint-robotic-exoskeletons.html