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这篇前沿综述聚焦基于织物的可穿戴机器人外骨骼手套，系统评述了这一新兴软体机器人领域。文章不仅详述了其仿生设计与制造、驱动机制、传感器与控制架构等核心技术进展，还深入探讨了生物力学性能评估、用户舒适度、家庭可用性及材料可持续性等实际应用挑战。它为致力于开发智能、可扩展、材料驱动的纺织机器人系统，以实现现实世界康复和辅助应用的研究者，提供了一份全面的技术路线图与未来展望。
基于织物的可穿戴机器人外骨骼手套：进展与挑战
1 引言
人手是一个复杂的生物力学系统，不仅负责抓握和操纵物体，还参与交流、表达和环境感知等精细认知任务。其功能完整性直接关系到个人的自主性和生活质量。然而，中风、脑瘫、多发性硬化、脊髓损伤和周围神经损伤等神经或肌肉骨骼疾病会严重限制手部功能，导致活动能力丧失、社会心理孤立和日常生活技能依赖。世界卫生组织（WHO）和联合国儿童基金会（UNICEF）的数据预测，全球有25亿人需要辅助技术，到205年这一数字预计将达到35亿。材料科学领域有责任寻找解决这一问题的方案。
传统的刚性外骨骼系统虽然能提供功能支持，但其笨重、坚硬的塑料或金属部件往往以牺牲生物力学兼容性为代价。相比之下，织物基可穿戴手套因其材料特性（如透气性、轻量化、类皮肤机械行为和多向变形能力）而备受关注。织物已从被动基底演变为主动功能组件，织物基手套因其机械和结构优势已成为主流的外骨骼平台。织物不仅能够传递力，还能通过各向异性变形、层状结构设计和局部刚度调整等特性来调制力的方向和区域。因此，外骨骼技术寻求的进步不仅仅是“柔软”，更是具有机械智能的自适应织物架构。
尽管已有关于软体机器人、手部外骨骼和纺织基机器人主题的综述，但仍缺乏专门针对织物基可穿戴外骨骼手套系统发展的全面综述。本综述旨在填补这一空白，全面审视这些系统的关键组成部分，包括驱动器设计、材料组成、制造技术、传感器集成、驱动机制、控制策略和电源，并强调其现实世界的适用性。
2 人手：作为设计灵感的解剖学与生物力学
理解手指的生物力学功能和手部的基本解剖结构对于设计有效、安全且符合人体工程学的机器人手套系统至关重要。健康的人手需要实现活动性、稳定性和力量的功能。手指关节（不包括拇指）包括掌指关节（MCP）、近端指间关节（PIP）和远端指间关节（DIP），它们共同实现协调的屈伸运动。在拇指中，腕掌关节（CMC） 是最近端的关节，能够进行多轴运动和对掌运动。
确保设计的驱动器能沿着手指的自然轴线运动并避免关节承受不自然方向的应力至关重要。指深屈肌从指尖关节（DIP）开始拉动整个手指屈向掌心，提供精细运动控制；指浅屈肌则屈曲中间关节（PIP）；而位于手背侧的指伸肌是伸直手指的主要肌肉。通过协调激活这些肌肉群，手指可以执行各种运动。
对手关节施加超过正常解剖限度的力可能导致严重损伤。手指关节的最大屈曲角度范围约为70°至95°，PIP关节约为90°，DIP关节约为110°。在拇指中，外展角度范围为40°至60°，MCP屈曲角度范围为30°至45°。这种生物力学的个体差异性凸显了定制化软体驱动器的必要性。
3 织物基外骨骼手套的设计与材料考量
3.1 系统化设计框架
织物基软体机器人手套是复杂的多学科系统。成功的高性能系统开发需要一个系统化的设计框架。该框架遵循一个循序渐进的迭代过程链，从确定设计目标和用户需求开始，随后依次进行材料结构与制造方法选择、驱动器与手套架构集成、控制机制开发、能量管理与耐久性测试、原型构建与实验室测试、临床与功能评估、设计优化，最终实现产品化与大规模生产。
3.2 运动设计
人手在解剖和生物力学上提供了多个自由度（DOF） 和复杂的运动组合。现有研究中的基本运动模式包括收缩、弯曲、扭转、伸展和膨胀。此外，基于仿生方法的驱动器设计也能产生钩形、三叶草形、蛇形和开花形等复杂运动。
超越这些多样的运动，驱动器手套设计的目的是提供支持用户日常生活活动和增强康复过程的特定运动。解剖学上，手指屈曲（弯曲）和伸展（打开） 是功能性抓握的基础，文献也主要关注这些运动。此外，拇指外展在整个手部功能中起着决定性作用。因此，织物基软手套中应优化的基本运动包括对抓握和释放至关重要的手指屈曲和伸展，以及拇指外展。
4 织物基机器人手套的技术进展
织物基软体机器人手套是一个新兴的研究领域，通过多学科工程方法推动软体机器人的进步。研究重点包括设计和制造策略、传感器集成策略、驱动策略、控制策略以及电源和能量需求。
4.1 设计与制造策略
基于不同生产技术提供的机会，已经开发了多种织物基驱动器设计。制造工艺直接决定了设计的多样性和运动学潜力，从而推动超越性能优化的进步。不同的生产方法，如编织、缝合、层压/焊接、机织和针织，能够以不同的几何构型和材料各向异性重现相似的主要运动模式。
4.1.1 编织驱动器
标准编织驱动器由一个包裹在弹性材料内胆外的纤维网状鞘组成。当液体或气体注入时，它们会发生径向膨胀和同时的轴向收缩，类似于生物肌肉的收缩机制。编织技术涉及将线轴安装在专门设计的机器上，并沿对角线相互穿过。通过精心优化编织角度、交叉线数量等参数，可以针对特定应用需求精确设计和调整外骨骼驱动器的机械性能和运动特性。
文献中的趋势是开发小直径编织驱动器。例如，Al-Fahaam等人通过在一侧缝合高强度不可延伸的线引入不对称增强，以诱导受控弯曲。Takahashi等人受指浅屈肌和指深屈肌启发，开发了一种仿生软体外骨骼，将薄编织驱动器直接放置在手上。Koizumi等人则引入了三点弯曲结构和扁平编织肌肉两种配置，以改善轻量软手套中的屈伸平衡。
4.1.2 缝合基织物驱动器
缝合提供了一种低成本、易于获得且可扩展的织物基驱动器生产方法。文献表明，通过简单地改变缝线图案即可控制线性收缩、弯曲或多轴变形，使得该方法高度灵活和可定制。此外，编码缝合约束（ESC） 等创新方法已开发用于软体纺织机器人的生产。
在文献中，不同的缝合制造方法和材料组合已被用于气动驱动器的生产，以提高其机械性能、灵活性和可穿戴性。例如，Nassour等人制造了缝合聚酯通道外壳，集成了锯齿形排列的弯曲管和纵向拉伸管。Chen等人采用了仿生方法，用各向异性针织织物增强3D打印硅胶基质。Correia等人则在纺织基软体机器人手套的指关节处应用了收褶法。Suulker等人开发了一种基于集成弹性带的新制造方法。Y?lmaz等人开发了一种结合不同宽度针织和机织层的缝合基分段策略。Maldonado-Mejía等人则将打褶技术应用于ExHand外骨骼。近期研究通过直接在弹性织物上进行缝线图案编程机械各向异性，取代了刚性约束层。
4.1.3 焊接和层压织物驱动器
采用焊接和层压技术制造的驱动器的基本设计原理是在织物层之间直接创建密封腔室，从而无需内部内胆。焊接使得能够使用热、压力或超声波能量实现纺织材料的分子融合，创造耐用、一体化的结构。在层压中，纺织品表面涂有热塑性薄膜，从而提高了可充气驱动器的密封性能和可靠性。
在科学界，各种团体开发了多样化的设计策略。其中，波浪形和蛇形驱动器几何形状因其在低压下具有高变形能力而日益被采用，成为当前设计方法的一个显著趋势。例如，Yap等人通过超声波焊接热塑性聚氨酯（TPU）涂层纺织品开发了一种手套。Connolly等人通过层压开发了铰接式纺织气动驱动器。Lai等人通过焊接开发了蜂窝结构气动驱动器（HPA），并报道其尖端力比传统双层设计高862%。Dalaee等人则开发了在低压下运行的纺织基驱动器。
未来研究方向包括结合高力生成与仿生运动性的设计优化，同时不损害轻量化和便携性；开发更可靠、可扩展的制造工艺；以及推动驱动器从实验室验证、临床验证到监管产品化的全链条发展。
