隨著老齡化社會(huì)進(jìn)程的不斷加速，康復(fù)需求呈現(xiàn)出持續(xù)攀升的態(tài)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)康復(fù)治療方式面臨資源分配不均、價(jià)格高昂、使用不便等諸多挑戰(zhàn)。在此背景下，低成本、高便捷性的居家康復(fù)模式正逐漸成為未來(lái)康復(fù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。3月8日，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人研究所的丁希侖教授、張武翔教授、馮仰剛副教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系王柳特任教授，在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上在線發(fā)表了題為“Power-free knee rehabilitation robot for home-based isokinetic training”的研究論文，提出了首款無(wú)源等速抗阻膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。這一創(chuàng)新成果打破了傳統(tǒng)大型商用等速康復(fù)設(shè)備僅能在醫(yī)院使用的限制，在居家康復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。丁希侖教授、張武翔教授、王柳教授和馮仰剛副教授為該文的共同通訊作者，馮仰剛副教授和吳昊洋博士為共同第一作者，北京航空航天大學(xué)為第一完成單位。
圖1.等速抗阻設(shè)備對(duì)比
現(xiàn)有的商用等速訓(xùn)練設(shè)備普遍存在體積龐大、重量沉重、能耗高等問(wèn)題。這些弊端使其使用場(chǎng)景被限制在大型醫(yī)院或康復(fù)中心，難以契合居家康復(fù)的實(shí)際需求。如今，隨著人們對(duì)居家康復(fù)的便捷性與高效性的追求日益強(qiáng)烈，輕量化、便攜式等速訓(xùn)練設(shè)備的需求正呈現(xiàn)出迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。
研究團(tuán)隊(duì)提出了首款無(wú)源等速抗阻機(jī)器人，該機(jī)器人專(zhuān)為居家康復(fù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)。相較于傳統(tǒng)商用大型等速訓(xùn)練設(shè)備，提出了適應(yīng)于無(wú)源等速抗阻機(jī)器人動(dòng)態(tài)能量再生方法，摒棄了傳統(tǒng)設(shè)備中的能量模塊和供電電源，從而降低了設(shè)備的體積和重量，提升了整體的集成度。
圖2.無(wú)源特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了全面評(píng)估無(wú)源等速抗阻機(jī)器人的性能，研究團(tuán)隊(duì)招募了10名健康受試者和10名膝關(guān)節(jié)術(shù)后患者參與了無(wú)源特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，盡管個(gè)體肌肉力量存在差異，但是所有受試者的再生功率/消耗功率的比值均大于1，這一結(jié)果充分展示了該機(jī)器人在不同康復(fù)場(chǎng)景中，針對(duì)不同身體狀況的用戶，均能穩(wěn)定提供無(wú)源等速訓(xùn)練的能力。
圖3.肌肉輪廓變化臨床實(shí)驗(yàn)
為了評(píng)估所提出機(jī)器人的康復(fù)效果，10名膝關(guān)節(jié)術(shù)后受試者參加了為期6周、每周兩次的康復(fù)臨床訓(xùn)練。研究通過(guò)核磁共振掃描檢測(cè)受試者大腿橫截面積(cross-sectional area, CSA)在訓(xùn)練前后的變化，并記錄了12次訓(xùn)練中等速肌肉力量的變化。結(jié)果顯示，訓(xùn)練后，受試者股四頭肌的CSA顯著增加，平均增長(zhǎng)為2.92±1.46 cm?，增長(zhǎng)率為5.93%±3.3%。同時(shí)，腘繩肌的CSA也明顯增加，平均增長(zhǎng)為2.42±1.25 cm?，增長(zhǎng)率為10.27%±5.5%。這些數(shù)據(jù)表明，該機(jī)器人在促進(jìn)術(shù)后膝關(guān)節(jié)康復(fù)方面具有顯著效果。
圖4.肌力變化臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果
受試者不僅表現(xiàn)出顯著的形態(tài)學(xué)改變，其股四頭?。ㄌ龋┖湍N繩?。ㄊ胀龋┑募∪饬α恳诧@著增強(qiáng)。平均來(lái)看，股四頭肌的肌肉力量提升了70%，腘繩肌的肌肉力量提升了84%。具體而言，抬腿和收腿的平均力矩分別從訓(xùn)練前的30.6±9.6N·m和24.6±10.4N·m，顯著提升至訓(xùn)練后的51.9±16.4N·m和45.1±8.6N·m。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了該機(jī)器人在增強(qiáng)肌肉力量和促進(jìn)功能恢復(fù)方面的顯著效果。
圖5.康復(fù)效果對(duì)比
在訓(xùn)練效果的對(duì)比中，相比于商用等速訓(xùn)練機(jī)器人，在相同的訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間和周期條件下，本研究提出的無(wú)源等速抗阻機(jī)器人展現(xiàn)出優(yōu)異的訓(xùn)練效果：其訓(xùn)練后大腿橫截面積的增長(zhǎng)率達(dá)到5.9%，高于傳統(tǒng)商用設(shè)備的3.7%；在抬腿扭矩提升方面，該機(jī)器人提升幅度為70%，超過(guò)傳統(tǒng)商用設(shè)備的35.9%。
綜上所述，本研究提出了首款無(wú)源等速抗阻膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人運(yùn)用動(dòng)態(tài)能量再生方法，無(wú)需外界電源，即可實(shí)現(xiàn)高效的膝關(guān)節(jié)等速康復(fù)訓(xùn)練，無(wú)源特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其無(wú)源設(shè)計(jì)的有效性。臨床試驗(yàn)表明，該機(jī)器人的康復(fù)效果達(dá)到/超過(guò)現(xiàn)有商用等速設(shè)備。
合作單位有北醫(yī)三院、華西醫(yī)院、航天智能院、上海交大和北京大學(xué)，相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、寧波市“科創(chuàng)甬江2035”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57578-z
（轉(zhuǎn)自：北京航空航天大學(xué)新聞網(wǎng)）
