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北京航空航天大学樊瑜波教授、王丽珍教授团队基于具有本体感受的刚柔混合执行器，提出了一种模块化的压力再分配坐垫。这款坐垫内部配置了呈阵列式排布的刚柔混合执行器，它不仅能够感知交互过程中的作用力大小，更能精准控制施加给使用者的作用力。相关研究成果已发表在《Advanced Intelligent Systems》中。

 

1、研究背景

 

轮椅使用者由于久坐等因素，处于发生压疮的高风险之中。预防压疮的最有效策略是频繁地改变患者的体位和姿势，然而这要求护理人员具备较高的专业素养，使得大多数轮椅使用者无法充分执行这些压力重新分配的动作。为了降低压疮的风险，采用外部辅助手段来减少压力的大小和持续时间是至关重要的。然而，当前市场上大部分的防压疮坐垫都无法根据用户的体型和坐姿进行个性化调整。因此，迫切需要开发一种能够检测界面压力并可以主动改变形状和压力分布的防压疮坐垫。

 

2、研究概述

 

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动

该团队提出了一款具有本体感受的刚柔混合执行器。该执行器结合了刚性材料和柔性材料，实现了结构的优化和功能的提升。其中，柔软的表皮为执行器提供了出色的灵活性和安全性，确保在使用过程中不会对用户造成伤害。而刚性的骨架则起到支撑结构的作用，有效提升了执行器的耐久性和控制精度，使其在各种环境下都能保持稳定的性能。在建立执行器准静态力学模型的基础上，引入了飞行时间传感器进行接触力测量。这种非接触式测量方法不仅提高了设备的耐久性和寿命，还为执行器的精确控制提供了可靠的数据支持。该执行器在真空负压的驱动下可产生伸长/收缩运动。通过整合众多的刚柔混合执行器模块，开发出一款模块化压力再分配坐垫。

图1：a） 模块化压力再分配垫 （MPRC） 的结构  b） MPRC和压力再分配过程的示意图  c） 本体感觉软刚混合执行器（PSHA）模块的制造和组装工艺  d） 制造PSHA模块  e） 测距传感器和气压传感器  f） 控制板（图片来自原文）  

 

坐垫的设计利用了模块化和分布式控制的原则。这种模块化方法将系统分解为离散的、功能性的实体，提供了无缝集成和可互换性，从而增强了系统的适应性、灵活性以及维护和修理的便利性。系统内部的每个单独的执行器都具备通信、传感、驱动和控制功能，这种分布式控制的方式使得整个系统更加智能化和自主化。各个执行器可以独立地接收指令并作出响应，从而实现了高效、精准的控制。每个执行器的独立性还使得整个系统可以轻松地根据使用场景进行个性化定制，这使得此类型的压力再分配坐垫成为一种极为用户友好的选择。

图2：a）MPRC 的组成部分  b）控制箱的照片  c）MPRC和控制箱的正面视图（图片来自原文） 

 

实验测试结果表明所设计的压力再分配坐垫可以在不同坐姿（正坐、左倾、右倾、后仰和前倾）、和使用场景下主动的调节界面压力，显著降低界面压力的峰值、平均值和梯度值。此款压力再分配坐垫能够实时动态地修改其形状和接触力的分布，以响应用户的身体活动，从而系统地重新分配接触压力，减轻压疮的潜在发生。该坐垫充分利用了刚柔混合执行器的优势，实现了压力的有效再分配，为用户提供了更加安全和健康的坐姿体验。

图3：a） 在各种坐姿的力控制激活之前和之后的界面压力图  b） PSFA 模块在各种坐姿的力控制激活前后的接触力图（图片来自原文） 

 

3、研究意义

 

这项研究的意义在于，通过这种界面压力的再分配机制，能够避免久坐造成的局部皮肤软组织长时间受压，从而有效预防压疮的发生，提供了一种富有前景的方法来降低发生压疮风险。这项研究对于辅助技术的进步具有重要推动作用，有望提高行动不便人群的生活质量。

 

该研究在国家自然科学基金等项目资助下完成。北京航空航天大学生物与医学工程学院、北京生物医学工程高精尖中心、生物力学与力生物学教育部重点实验室樊瑜波教授、王丽珍教授为共同通讯作者，彭广帅博士研究生为第一作者。

 

参考文献：

 

Guangshuai Peng, Lizhen Wang*, Shan Tian, Yubo Fan*.Modular Pressure Redistribution Cushion with Proprioceptive Soft–Rigid Hybrid Actuator. Advanced Intelligent Systems.doi:10.1002/aisy.202300422

 

来源：Internet

关键词： 刚柔混合执行器