近日，北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院王啟寧教授課題組在穿戴式機(jī)器人及人機(jī)耦合效能增強(qiáng)方面取得新進(jìn)展，研制出首款便攜式潛水輔助外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，通過提供膝關(guān)節(jié)助力，顯著降低了潛水過程中的空氣消耗與肌肉激活水平。該研究成果以“An Underwater Exoskeleton for Scuba Diving: Reducing Air Consumption and Muscle Activation Through Knee Assistance”為題，于2025年10月14日在線發(fā)表于IEEE Transactions on Robotics。
海洋覆蓋了地球表面的71%，是人類活動(dòng)的重要空間。水肺潛水作為探索水下世界的主要方式，在海洋科研、資源勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，與高效的陸地行走不同，人類在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服水體阻力，能量消耗遠(yuǎn)高于陸地，嚴(yán)重限制了潛水員的續(xù)航能力和作業(yè)范圍。近年來，新興的下肢外骨骼技術(shù)已在陸地行走、跑步等場景中展現(xiàn)出降低人體代謝成本的巨大潛力。能否將外骨骼技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境以提升人類的潛水效率？本研究針對這一挑戰(zhàn)給出了肯定答案。
圖1 水下外骨骼整體設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)潛水輔助，需要克服多方面困難。相比于陸地，水下運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)研究很少，其動(dòng)作特征也與陸地存在根本差異，這為外骨骼的輔助原理與力矩曲線設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)；水下環(huán)境對外骨骼的防水、配重平衡、穿戴牢固性及控制有效性均提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而相關(guān)研究先例屈指可數(shù)、效果有限，難以提供有效參照；對水下可穿戴機(jī)器人性能進(jìn)行量化評估本身也存在相當(dāng)難度。
針對以上問題，王啟寧課題組提出并研制了一款雙側(cè)繩驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)水下外骨骼，其輔助力矩曲線啟發(fā)自潛水員的股四頭肌激活特征。利用大小腿處的慣性傳感器實(shí)時(shí)估計(jì)運(yùn)動(dòng)相位，基于力測量的迭代位置控制策略能夠精準(zhǔn)施加力矩。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，外骨骼采用繩驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使2/3以上的重量集中于潛水員背部，可通過浮力背心有效補(bǔ)償、避免水下失衡。腿部執(zhí)行端的連續(xù)體結(jié)構(gòu)能適應(yīng)膝關(guān)節(jié)瞬心的變化，在傳遞助力的同時(shí)避免與膝蓋碰撞。通過采用此前提出的動(dòng)態(tài)腰帶，課題組解決了水下大腿綁帶容易下滑的問題，增強(qiáng)了穿戴穩(wěn)定性。此外，研究綜合運(yùn)用了氣體消耗、水下運(yùn)動(dòng)學(xué)、水下肌電與外骨骼輸出力4類信號，以全面評估外骨骼的整體輔助效果。
圖2 不同條件下移動(dòng)單位距離的凈空氣消耗
為驗(yàn)證外骨骼的有效性，研究團(tuán)隊(duì)組織了6名經(jīng)驗(yàn)豐富的潛水員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。潛水員需分別在無外骨骼、穿戴外骨骼但無助力、穿戴外骨骼且有助力3種條件下完成100米水下游動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與無外骨骼潛水相比，在外骨骼助力下，潛水員的凈空氣成本降低了22.7%，峰值股四頭肌激活水平降低了20.9%。此外，腓腸肌的平均激活也顯著降低了20.6%，這表明潛水員充分適應(yīng)并利用了外骨骼輔助。相比于人類自然行走能力，潛水是一種后天學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)，這可能允許外骨骼更大程度地干預(yù)/矯正人體游動(dòng)動(dòng)作，而不產(chǎn)生能耗上的負(fù)面影響。
圖3 主要的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉激活結(jié)果
王啟寧課題組在國際上率先開展穿戴式水下游動(dòng)助力機(jī)器人研究，近年來取得了一系列研究成果。本項(xiàng)研究為最新進(jìn)展之一，成功地將外骨骼技術(shù)的應(yīng)用邊界從陸地?cái)U(kuò)展至實(shí)際水下環(huán)境，證明了動(dòng)力外骨骼在特殊環(huán)境下增強(qiáng)人類能力的可行性。該水下外骨骼提供了一種全新的生物啟發(fā)式推進(jìn)方案，有望應(yīng)用于延長水下作業(yè)時(shí)間、減輕潛水員疲勞以及輔助潛水訓(xùn)練等多個(gè)場景，為未來水下助游設(shè)備的設(shè)計(jì)與評估提供了重要參考。
該論文的第一作者為北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院博士研究生吳顯達(dá)、徐明，北京大學(xué)人工智能研究院助理研究員周志浩。王啟寧為唯一通訊作者。合作者包括北京大學(xué)工學(xué)院已畢業(yè)碩士生婁文杰，北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院工程師張騰、周亞雷，副研究員麥金耿。
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