德国海德堡大学和慕尼黑工业大学开发 老年人WalkON软机器人短裤

根据联合国发布的《2024年世界人口展望》报告显示，全球人口老龄化趋势问题日益突出。报告指出，2024年全世界65岁及以上人口的比例约为10.5%，且这一比例预计将持续上升。到本世纪70年代末，65岁及以上老年人口数量预计将超过18岁以下的年轻人。

人口老龄化带来的问题日益凸显，行动能力下降不仅限制了他们的日常活动范围，还影响了他们的生活质量和独立性。早期的可穿戴机器人，如传统外骨骼，大多采用刚性结构，体积庞大且重量较重，主要适用于实验室环境，难以融入日常生活。近年来，随着软体机器人技术的发展，一种名为“外骨骼服”（exosuits）的新型可穿戴辅助设备应运而生。这类设备采用纺织材料和轻质结构，与人体肌肉并行工作，以减轻肌肉负担并降低行走或跑步时的能量消耗。

近日德国海德堡大学和慕尼黑工业大学等机构合作，研发了一款名为WalkON软体机器人短裤，该款产品采用轻质且紧凑的肌腱驱动设计，结合基于用户自然腿部运动模式的控制器，实现自主辅助腿部摆动。在实际人群测试当中，WalkON软体机器人短裤在能量消耗与高度控制感方面表现出色。

▍WalkON软机器人短裤采用柔性高强度材料打造 搭载高精度传感器与运动控制算法

WalkON软机器人短裤在材质选择上充分考虑了舒适性、耐用性和功能性。其主要组成部分包括一条可调节的腰带和两条大腿织物背带，腰带和背带是WalkON与用户身体直接接触的关键部分，因此采用了内层为氯丁橡胶（Neoprene）的材料。氯丁橡胶以其出色的拉伸强度、硬度和耐磨性而著称，同时保持了与皮肤的柔软接触，提供了良好的穿戴舒适度。此外，氯丁橡胶还具有良好的防水和透气性能，即使在长时间穿戴或潮湿环境下也能保持用户的干爽和舒适。

WalkON软机器人短裤产品设计原理

为了进一步增强穿戴的舒适性和透气性，WalkON的织物接口部分采用了尼龙（Nylon）和海绵状顶层织物。尼龙材料以其轻质、高强度和耐磨性而广受欢迎，能够确保设备在长时间使用过程中的稳定性和耐用性。海绵状顶层织物则提供了额外的缓冲和吸湿排汗功能，有效减少了长时间穿戴引起的不适感。

为了确保设备能够紧密贴合不同体型和尺寸的用户，WalkON的腰带和背带均配备了魔术贴带（Velcro Strips）。魔术贴带拥有很好的易用性与可调节性，用户可以根据个人需求轻松调整设备的紧度，以此来获得最舒适的佩戴感受。

WalkON软机器人硬件组成部分

WalkON的肌腱驱动机制是其实现行走辅助功能的核心。该机制通过人工肌腱与用户的腿部相连，利用电机驱动肌腱缩短，从而产生辅助髋关节屈曲的力矩。

人工肌腱由高强度、耐磨损的凯夫拉合成纤维（Kevlar）制成。凯夫拉合成纤维以其出色的抗拉强度和耐磨性而广泛应用于各种高强度应用场景中。在WalkON中，人工肌腱不仅需要承受电机的驱动力，还需要在用户行走过程中保持稳定的连接和传输力量。因此，选择凯夫拉合成纤维作为肌腱材料是确保其长期耐用性和可靠性的关键。

（a）WalkON 腰带及其层组成。（b）大腿纺织线束内视图和闭合配置。

WalkON的驱动阶段位于腰带后部，集成了电机、滑轮和肌腱等关键部件。电机通过驱动滑轮旋转来缩短肌腱长度，从而产生辅助力矩。为了确保肌腱能够顺畅地传输力量到用户腿部，WalkON采用了鲍登线缆作为引导结构。鲍登线缆由内外两层套管组成，内层套管用于传输肌腱力量，外层套管则提供保护和支撑作用。

人工肌腱通过鲍登线缆引导至大腿背带上的远端锚定点。这些锚定点能够确保肌腱在用户行走过程中保持稳定的位置和方向。当电机驱动肌腱缩短时，它会在髋关节周围产生一个屈曲力矩，辅助腿部摆动。

WalkON控制器设计原理

此外研究人员表示，WalkON的智能控制系统能够基于用户髋关节的运动数据实时调整辅助力度和时机，确保辅助动作与用户的自然行走节奏同步，这是其维持行走稳定的关键。同时，WalkON在每条腿上装备了高精度的IMU传感器，用于监测髋关节的角度和速度变化。传感器实时捕捉用户的行走数据，并将其传输至控制单元进行处理。

WalkON的运动控制算法基于用户髋关节的运动数据实时计算所需的辅助力矩和时机。算法首先通过实时数据分析确定用户的行走速度和步态周期等关键参数，然后根据这些参数调整电机的输出功率和肌腱的缩短程度。此外，算法还具备自学习能力，能够根据用户的行走习惯和偏好不断优化辅助策略，以提供更加个性化的行走辅助体验。

为了确保智能控制系统的稳定性和可靠性，WalkON采用了无线通信技术与便携式锂聚合物电池相结合的设计方案。IMU传感器通过蓝牙低功耗协议将数据传输至控制单元，避免了传统有线连接带来的束缚和不便。同时，便携式锂聚合物电池提供了稳定的电力输出，确保了设备在长时间行走过程中的持续运行。电源管理系统则负责监控电池电量和电机功耗等关键参数，确保设备在电量不足时能够及时提醒用户充电。

▍WalkON软机器人短裤在多项实测中表现优异

为了验证WalkON软机器人短裤的性能，研究人员分别招募了12名年轻且身体健康的年轻人以及10名年龄在67岁及以上的老年人进行户外行走、爬坡与跑步测试。

WalkON 有效降低了上坡户外步行时的运输代谢成本

参与者被要求在一条500米长的陡峭上坡徒步路径上行走，该路径位于海德堡市周边，高度变化达到57米。测试分为两组条件：一组不佩戴WalkON（无辅助条件），另一组则佩戴并开启WalkON（辅助条件）。结果显示，在佩戴WalkON的条件下，参与者的代谢成本显著降低了17.79%，表明WalkON在上坡行走中能够显著提升行走效率。此外，尽管WalkON的佩戴并未显著改变参与者的行走速度，但有8名参与者在辅助条件下表现出行走速度的增加趋势，这进一步证明了WalkON的实用性和有效性。

年轻人髋关节运动结果

除了技术评估外，研究团队还非常重视用户的实际体验和感知控制。在每次测试后，参与者被要求填写一份关于感知控制的问卷。结果显示，无论是年轻成年人还是老年人，他们在使用WalkON时均报告了高度的感知控制，平均评分分别达到了6.20和6.09（满分7分）。实验结果表明，WalkON的设计和控制策略成功地在提供辅助的同时，保留了用户的自主性和运动控制感，这对于增强用户接受度和长期佩戴意愿至关重要。

年轻人自主意识结果

老年人400米跑步数据

此外，研究团队还对参与者的代谢成本和运动数据进行了量化分析。代谢成本通过便携式呼吸测量仪记录，并计算为每单位距离所需的代谢能量。结果显示，在老年参与者的测试中，佩戴WalkON使他们的代谢成本降低了10.48%，这一效果虽然略低于年轻成年人的测试结果，但这个数据依然具有重要意义。此外，研究团队还分析了参与者的髋关节运动范围、峰值速度等运动数据，发现WalkON并未限制或改变参与者的自然运动模式，这表明WalkON在提供辅助的同时，保持了运动的自然性和流畅性。

▍结语与未来：

WalkON软机器人短裤创新地采用了轻质软体结构设计，更符合人体工程学设计，穿着舒适且不妨碍用户的自然运动，这是其区别于传统刚性外骨骼机器人最大的特点。同时WalkON的控制器能够根据用户的髋关节运动数据实时调整辅助策略，完美地匹配了辅助动作与自然行走的节奏同步，这种自适应控制技术能够有效应对不同人群的行走习惯和速度变化。此外，WalkON能够在不增加功率输出的情况下，减少用户行走的能量消耗，有效提升续航时间，降低用户使用成本。未来，随着材料科学技术的不断进步和商业化探索落地，WalkON软机器人短裤有望成为老年人日常行走的理想选择。