根據聯合國釋出的【2024年世界人口展望】報告顯示，全球人口老齡化趨勢問題日益突出。報告指出，2024年全世界65歲及以上人口的比例約為10.5%，且這一比例預計將持續上升。到本世紀70年代末，65歲及以上老年人口數量預計將超過18歲以下的年輕人。
人口老齡化帶來的問題日益凸顯，行動能力下降不僅限制了他們的日常活動範圍，還影響了他們的生活品質和獨立性。早期的可穿戴機器人，如傳統外骨骼，大多采用剛性結構，體積龐大且重量較重，主要適用於實驗室環境，難以融入日常生活。近年來，隨著軟體機器人技術的發展，一種名為「外骨骼服」（exosuits）的新型可穿戴輔助裝置應運而生。這類裝置采用紡織材料和輕質結構，與人體肌肉並列工作，以減輕肌肉負擔並降低行走或跑步時的能量消耗。
近日 德國海德堡大學和慕尼黑工業大學等機構合作，研發了一款名為WalkON軟體機器人短褲 ，該款產品采用輕質且緊湊的肌腱驅動設計，結合基於使用者自然腿部運動模式的控制器，實作自主輔助腿部擺動。在實際人群測試當中，WalkON軟體機器人短褲在能量消耗與高度控制感方面表現出色。
▍ WalkON軟機器人短褲采用柔性高強度材料打造 搭載高精度傳感器與運動控制演算法
WalkON軟機器人短褲 在材質選擇上充分考慮了舒適性、耐用性和功能性。其 主要組成部份包括一條可調節的腰帶和兩條大腿織物背帶 ，腰帶和背帶是WalkON與使用者身體直接接觸的關鍵部份，因此采用了內層為氯丁橡膠（Neoprene）的材料。氯丁橡膠以其出色的拉伸強度、硬度和耐磨性而著稱，同時保持了與皮膚的柔軟接觸，提供了良好的穿戴舒適度。此外，氯丁橡膠還具有良好的防水和透氣效能，即使在長時間穿戴或潮濕環境下也能保持使用者的幹爽和舒適。
WalkON軟機器人短褲產品設計原理
為了進一步增強穿戴的舒適性和透氣性， WalkON的織物介面部份采用了尼龍（Nylon）和海綿狀頂層織物 。尼龍材料以其輕質、高強度和耐磨性而廣受歡迎，能夠確保裝置在長時間使用過程中的穩定性和耐用性。海綿狀頂層織物則提供了額外的緩沖和吸濕排汗功能，有效減少了長時間穿戴引起的不適感。
為了確保裝置能夠緊密貼合不同體型和尺寸的使用者， WalkON的腰帶和背帶均配備了魔術貼帶（Velcro Strips） 。魔術貼帶擁有很好的易用性與可調節性，使用者可以根據個人需求輕松調整裝置的緊度，以此來獲得最舒適的佩戴感受。
WalkON軟機器人硬體組成部份
WalkON的肌腱驅動機制是其實作行走輔助功能的核心。該機制透過人工肌腱與使用者的腿部相連，利用電機驅動肌腱縮短，從而產生輔助髖關節屈曲的力矩。
人工肌腱由高強度、耐磨損的凱夫拉合成纖維（Kevlar）制成。 凱夫拉合成纖維以其出色的抗拉強度和耐磨性而廣泛套用於各種高強度套用場景中。在WalkON中，人工肌腱不僅需要承受電機的驅動力，還需要在使用者行走過程中保持穩定的連線和傳輸力量。因此，選擇凱夫拉合成纖維作為肌腱材料是確保其長期耐用性和可靠性的關鍵。
（a）WalkON 腰帶及其層組成。（b）大腿紡織線束內檢視和閉合配置。
WalkON的驅動階段位於腰帶後部，整合了電機、滑輪和肌腱等關鍵部件。 電機透過驅動滑輪旋轉來縮短肌腱長度，從而產生輔助力矩。為了確保肌腱能夠順暢地傳輸力量到使用者腿部，WalkON采用了鮑登線纜作為引導結構。鮑登線纜由內外兩層套管組成，內層套管用於傳輸肌腱力量，外層套管則提供保護和支撐作用。
人工肌腱透過鮑登線纜引導至大腿背帶上的遠端錨定點。這些錨定點能夠確保肌腱在使用者行走過程中保持穩定的位置和方向。當電機驅動肌腱縮短時，它會在髖關節周圍產生一個屈曲力矩，輔助腿部擺動。
WalkON控制器設計原理
此外研究人員表示， WalkON的智慧控制系統能夠基於使用者髖關節的運動數據即時調整輔助力度和時機，確保輔助動作與使用者的自然行走節奏同步 ，這是其維持行走穩定的關鍵。同時， WalkON在每條腿上裝備了高精度的IMU傳感器，用於監測髖關節的角度和速度變化。 傳感器即時捕捉使用者的行走數據，並將其傳輸至控制單元進行處理。
WalkON的運動控制演算法基於使用者髖關節的運動數據即時計算所需的輔助力矩和時機。 演算法首先透過即時數據分析確定使用者的行走速度和步態周期等關鍵參數，然後根據這些參數調整電機的輸出功率和肌腱的縮短程度。此外，演算法還具備自學習能力，能夠根據使用者的行走習慣和偏好不斷最佳化輔助策略，以提供更加個人化的行走輔助體驗。
為了確保智慧控制系統的穩定性和可靠性，WalkON采用了無線通訊技術與人員攜行式鋰聚合物電池相結合的設計方案。IMU傳感器透過藍芽低功耗協定將數據傳輸至控制單元，避免了傳統有線連線帶來的束縛和不便。同時，人員攜行式鋰聚合物電池提供了穩定的電力輸出，確保了裝置在長時間行走過程中的持續執行。電源管理系統則負責監控電池電量和電機功耗等關鍵參數，確保裝置在電量不足時能夠及時提醒使用者充電。
▍ WalkON軟機器人短褲在多項實測中表現優異
為了驗證WalkON軟機器人短褲的效能，研究人員分別招募了12名年輕且身體健康的年輕人以及10名年齡在67歲及以上的老年人進行戶外行走、爬坡與跑步測試。
WalkON 有效降低了上坡戶外步行時的運輸代謝成本
參與者被要求在一條500公尺長的陡峭上坡徒步路徑上行走，該路徑位於海德堡市周邊，高度變化達到57公尺。測試分為兩組條件：一組不佩戴WalkON（無輔助條件），另一組則佩戴並開啟WalkON（輔助條件）。結果顯示， 在佩戴WalkON的條件下，參與者的代謝成本顯著降低了17.79%， 表明WalkON在上坡行走中能夠顯著提升行走效率。此外，盡管WalkON的佩戴並未顯著改變參與者的行走速度，但有8名參與者在輔助條件下表現出行走速度的增加趨勢，這進一步證明了WalkON的實用性和有效性。
年輕人髖關節運動結果
除了技術評估外，研究團隊還非常重視使用者的實際體驗和感知控制。在每次測試後，參與者被要求填寫一份關於感知控制的問卷。結果顯示， 無論是年輕成年人還是老年人，他們在使用WalkON時均報告了高度的感知控制，平均評分分別達到了6.20和6.09（滿分7分）。 實驗結果表明，WalkON的設計和控制策略成功地在提供輔助的同時，保留了使用者的自主性和運動控制感，這對於增強使用者接受度和長期佩戴意願至關重要。
年輕人自主意識結果
老年人400公尺跑步數據
此外，研究團隊還對參與者的代謝成本和運動數據進行了量化分析。代謝成本透過人員攜行式呼吸測量儀記錄，並計算為每單位距離所需的代謝能量。結果顯示， 在老年參與者的測試中，佩戴WalkON使他們的代謝成本降低了10.48%， 這一效果雖然略低於年輕成年人的測試結果，但這個數據依然具有重要意義。此外，研究團隊還分析了參與者的髖關節運動範圍、峰值速度等運動數據，發現WalkON並未限制或改變參與者的自然運動模式，這表明WalkON在提供輔助的同時，保持了運動的自然性和流暢性。
▍ 結語與未來：
WalkON軟機器人短褲創新地采用了輕質軟體結構設計，更符合人體工程學設計，穿著舒適且不妨礙使用者的自然運動，這是其區別於傳統剛性外骨骼機器人最大的特點。同時WalkON的控制器能夠根據使用者的髖關節運動數據即時調整輔助策略，完美地匹配了輔助動作與自然行走的節奏同步，這種自適應控制技術能夠有效應對不同人群的行走習慣和速度變化。此外，WalkON能夠在不增加功率輸出的情況下，減少使用者行走的能量消耗，有效提升續航時間，降低使用者使用成本。未來，隨著材料科學技術的不斷進步和商業化探索落地，WalkON軟機器人短褲有望成為老年人日常行走的理想選擇。
