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脊髓损伤 (Spinal Cord Injury, SCI) 是一种严重的神经创伤，常常导致上肢运动功能严重受损，极大地影响了患者的独立生活能力和生活质量。尽管可穿戴机器人为功能恢复带来了希望，但现有设备存在诸多挑战。近日，来自意大利圣安娜高等研究院和比萨大学等机构的科学家们，已经为SCI患者带来了一件更轻、更软、更智能的“新衣”。这件发表于最新一期《Nature machine intelligence》的软体外衣，重量不足200克，却蕴含着巨大的能量。它能像第二层皮肤一样贴合在患者的肩部和肘部，通过精密的传感器感知穿戴者的每一个微小意图，并瞬间转化为强大的气动助力，帮助脊髓损伤患者完成动作——举起手臂、弯曲手肘、够取远处的物体。
脊髓损伤，一种足以改变人生的创伤，常常无情地剥夺患者的上肢功能。在过去的十年里，机器人技术为他们带来了曙光，但聚光灯大多打在了精细的“手”上。然而，对于许多患者来说，如果肩膀无法抬起、肘部无法弯曲，再灵活的手指也只是“空中楼阁”。
“我们发现了一个巨大的缺口，”该研究的通讯作者 Tommaso Proietti 表示，“现有的大多数设备都忽略了肩、肘这些近端大关节，而它们才是决定一个人能否独立生活的关键。”
图1：多模块协同上肢柔软外服概述
正是基于这一洞察，Proietti和他的团队开发了这款多关节协同的软体外衣。它由三个独立的模块组成：一个Y形的肩部气囊，巧妙地安置在腋下，负责对抗重力、抬起手臂；两个新设计的肘部模块，一个负责屈曲，一个负责伸展，可以根据任务需求灵活组合。
视频1：多关节软体外骨骼服外装概述
这件外衣的“大脑”，是两个微小的惯性测量单元 (IMU)，一个部署在上臂，一个在前臂，实时监测着肢体的动态。
当患者心中萌生一个抬手的念头，哪怕只是一个微弱的起始动作，IMU便能立刻捕捉到这一意图。信号瞬间传递给一个便携的控制盒，内部的微型气泵和电磁阀开始精准工作，向相应的气囊中泵入空气。柔软的织物气囊随之膨胀，产生一股温和而坚定的力量，“托”起患者的手臂，或“推”动手肘完成屈伸。
整个过程流畅自然，仿佛是患者自身力量的延伸。更重要的是，这是一种“用户在环” (user-in-the-loop) 的控制理念。系统只在用户主动发起动作时提供“助推”，而非被动地拖动肢体。这种设计巧妙地规避了长期使用辅助设备可能导致的“用进废退”——肌肉萎缩的风险，确保了患者的残余肌力在每一次运动中都得到锻炼。
为了验证这件“智能皮肤”的真实效果，研究团队招募了15名颈段SCI患者和11名健康志愿者，进行了一系列严苛的测试。
视频2：健康参与者穿戴效果演示
视频3：SCI患者穿戴效果演示
结果令人震撼。在静态持握任务中，患者的平均耐力时间在设备辅助下暴增了超过250%。这意味着，一个原本只能将手臂抬起十几秒的患者，现在可以轻松维持超过一分钟。与此同时，他们主要发力肌肉的肌电活动强度下降了高达50%以上，这意味着完成同样动作所需的力气大大减少。
在模拟喝水、够取物品等日常生活中常见的动态任务时，这件外衣展现了其高度的适应性。对于损伤较重、无法独立完成任务的患者，它能显著扩大其运动范围，让他们“够得更远”；而对于那些尚有一定活动能力的患者，它则像一个体贴的助手，在不改变其运动轨迹的前提下，默默地分担了大部分肌肉负荷，让他们“做得更轻松”。
在针对手部综合功能的“盒子与木块测试”中，两位保有抓握能力的参与者，其成绩也分别提升了57%和60%。这证明了近端关节的支持能够有效“赋能”远端关节，产生“1+1>2”的效果。
视频4：全系统集成概念证明
在测试结束后，几乎所有患者都对这件设备给予了积极评价。在系统可用性量表 (SUS) 中，它获得了超过70分的“可接受”评级。参与者普遍认为它学习起来很快（100%），使用时感到自信（90%），并对其安全性、舒适度和轻便性表示满意。
当然，这件设备并非完美，比如部分用户反映独立穿戴和校准仍有困难。但这正是通往未来的坚实一步。相较于动辄数十万美元、仅限于康复中心的传统外骨骼，这款软体外衣的制造成本仅约1270欧元，展现了其作为个人辅助设备大规模普及的巨大潜力。
类似的应用在其他需要上肢功能辅助的领域也已出现。例如，哈佛大学Wyss研究所的研究人员开发了一款针对中风患者的软体手套，通过气动驱动帮助患者重新获得抓握能力，让他们能够拿起水杯、拧开瓶盖。此外，还有研究团队将类似的软体外衣技术应用于辅助多发性硬化症或肌萎缩侧索硬化症患者的肩部运动，帮助他们抵抗因肌肉无力导致的疲劳，延长他们从事日常活动的时间，这些研究共同推动了软体机器人在不同神经系统疾病康复中的应用和发展。
总之，这项研究不仅为脊髓损伤患者点亮了一盏新的希望之灯，也为整个可穿戴机器人领域描绘了一幅更柔软、更人性化的蓝图。
[1] Ferroni, R., D’Avola, G., Sciarrone, G. et al. A multi-joint soft exosuit improves shoulder and elbow motor functions in individuals with spinal cord injury. Nat Mach Intell 7, 1390–1402 (2025).
https://doi.org/10.1038/s42256-025-01105-8
END
撰文 | 郝娅婷
排版 | 周宇茜
审核 | 医工学人理事会
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