摘要：中国科学技术大学孙帅帅教授团队成功开发出基于磁流变执行器的非机动机械手外骨骼，这项创新技术能够让佩戴者轻松举起超过200公斤的重物，同时显著减少肌肉疲劳和能耗。与传统电动外骨骼相比，这种新型设备在提供高抓握支撑力方面实现了革命性突破，其力功率比超越传统方法一个

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中国科学技术大学孙帅帅教授团队成功开发出基于磁流变执行器的非机动机械手外骨骼，这项创新技术能够让佩戴者轻松举起超过200公斤的重物，同时显著减少肌肉疲劳和能耗。与传统电动外骨骼相比，这种新型设备在提供高抓握支撑力方面实现了革命性突破，其力功率比超越传统方法一个数量级，相同保持力下的能耗降低了97.7%。

这项发表在《IEEE机器人学汇刊》上的研究成果，代表了外骨骼技术发展的重要里程碑。该设备采用磁流变材料作为核心驱动元件，突破了传统电动外骨骼在产生高支撑力方面的技术瓶颈。在实际测试中，外骨骼仅需5瓦功率输入就能产生1046牛顿的峰值保持力，这种卓越的性能指标为其在极端环境下的应用奠定了坚实基础。

实验数据显示，佩戴这种手部外骨骼的参与者在没有外部辅助的情况下，握力提高了41.8%，并且在长时间体力任务中手部肌肉疲劳显著减少。更令人印象深刻的是，在模拟伤员运送任务中，受试者的呼吸频率平均下降20%，最大运送距离增加了110%，充分证明了该技术在减轻人体负担方面的显著效果。

磁流变技术的科学优势

磁流变技术的应用是这项研究的核心创新点。磁流变材料是一种智能材料，其粘度可以在磁场作用下快速变化，这种特性使得基于磁流变原理的执行器能够在极低功耗下提供强大的支撑力。与传统电动马达需要持续消耗大量电能来维持输出力不同，磁流变执行器在保持状态下几乎不消耗能量。

由中国科学技术大学教授孙帅帅领导的研究团队研发的非机动机械手外骨骼 图：中国科学报

这种技术优势在实际应用中体现得尤为明显。传统电动外骨骼由于功耗过高，往往需要携带沉重的电池组，这不仅增加了设备重量，还限制了使用时间。而磁流变外骨骼的超低功耗特性使其能够长时间连续工作，特别适合在电力供应受限的恶劣环境中使用。

孙帅帅教授解释了选择磁流变技术的原因："我们可以利用磁流变材料的阻尼特性来设计能够提供力反馈的手和手臂外骨骼。同时，通过集成联合动作捕捉，我们可以实现远程机械臂和机械手的远程操作，同时提供真实的力反馈。"这种多功能特性为该技术在不同领域的应用提供了广阔空间。

研究团队在设计过程中还充分考虑了人机工程学因素。外骨骼的结构设计力求贴合人手的自然形态，减少佩戴时的不适感和运动限制。同时，磁流变执行器的快速响应特性确保了外骨骼能够及时响应佩戴者的动作意图，实现更加自然的人机协作。

救援与深空探索的应用前景

该外骨骼技术在灾难救援领域展现出巨大潜力。地震等自然灾害发生后，救援现场往往环境恶劣、设备难以部署，救援人员主要依靠人力清理重物和转移伤员。在这种情况下，传统大型救援设备无法发挥作用，而便携式的手部外骨骼则能够显著增强救援人员的作业能力。

论文第一作者、中国科学技术大学博士生麦先龙介绍的实验结果令人振奋。在模拟地震救援实验中，佩戴外骨骼的受试者在执行营救被困人员和运送伤员任务时，其指屈肌的肌电图信号幅度显著降低，表明负责抓握的肌肉活动大幅减少。这种生物力学指标的改善直接转化为更强的工作耐力和更高的救援效率。

除了地面救援应用，该技术在深空探索领域也具有独特优势。太空环境的特殊性要求设备具备极高的可靠性和能效比，传统电动设备往往难以满足这些严苛要求。磁流变外骨骼的低功耗特性和高可靠性使其成为太空任务的理想选择。

在未来的深空探索任务中，宇航员可能需要在月球或火星表面进行长时间的体力劳动，包括样本采集、设备安装和基地建设等工作。磁流变外骨骼不仅能够增强宇航员的作业能力，还能减少肌肉疲劳，延长有效工作时间。同时，其力反馈功能还能够支持远程操作，使地球上的操作员能够通过触觉反馈精确控制太空中的机械设备。

技术发展的未来路径

研究团队对该技术的未来发展制定了明确的路线图。人类意图识别技术的集成将是下一步的重要方向，通过分析佩戴者的肌电信号、关节角度变化等生理参数，外骨骼系统能够更准确地预测和响应用户的动作意图，实现更加智能化的辅助功能。

材料科学的进步也将为外骨骼技术带来新的发展机遇。复合材料和3D打印技术的应用将有助于在保持结构强度的同时减轻设备重量，提高佩戴舒适性。同时，新材料的应用还可能带来更好的生物相容性和耐用性，延长设备的使用寿命。

人机交互设计的完善是另一个关键发展方向。目前的外骨骼系统虽然已经能够提供有效的力量辅助，但在实现人手运动的完整自由度方面仍有改进空间。研究团队计划通过优化机械结构设计和控制算法，减少外骨骼与人手之间的滑移和不适感，使设备更加贴合人体的自然运动模式。

孙帅帅教授强调，团队的最终目标是开发出能够全面增强人类体能的外骨骼系统，不仅限于手部功能，还要扩展到全身的力量辅助。这种全身外骨骼系统将结合磁流变技术的优势，为各种高强度体力劳动提供全方位支持，从而彻底改变人类的工作方式和能力边界。

来源：人工智能学家