浅谈几种典型材料在下肢康复机器人上的应用

摘要：本文系统分析了下肢康复机器人中四种典型材料的应用特性与价值。其中铝合金以其轻量化、高强度及易加工性，成为外骨骼主体框架的核心材料；碳纤维复合材料通过层叠结构与振动衰减能力，实现关键承力部件减重，并优化生物力学适配性；PEEK（聚醚醚酮） 凭借类骨弹性模量、生物惰性与医学影像兼容性，提升长期穿戴安全性；医用氨纶基于智能针织技术，将弹性织物与导电纤维无缝集成，兼具柔顺贴合、压力传感及驱动功能，推动人机自然交互。未来材料发展聚焦刚柔复合体系，结合4D打印与神经接口技术，实现从“机械替代”到“神经共生”的范式跃迁，最终达成生物-机械深度协同的个性化康复目标。

关键词：下肢康复  机器人  材料

一、前言

随着全球老龄化进程加速和神经系统疾病发病率上升，下肢运动功能障碍的康复需求激增，推动了下肢康复机器人技术的快速发展[1]。当前，该类机器人主要分为外骨骼式、悬挂减重式及末端牵引式三大类型，通过精准的力学辅助与生物反馈机制，显著提升了康复训练的标准化程度与效率。临床实践表明，机器人辅助训练在促进神经重塑、改善步态对称性及增强肌肉力量方面展现出独特优势，正逐步成为现代康复医学的核心工具。

然而，系统轻量化、运动仿生性、穿戴舒适性及长期使用的生物相容性，仍是制约其普及与效能的关键瓶颈。在此背景下，先进材料的选择与创新应用成为突破技术壁垒的核心路径，如智能织物与柔性传感器的集成，正推动着人机交互界面的革新，提升穿戴舒适性与生理信号监测精度。本文选取了几种在下肢康复外骨骼关键结构上应用的的材料，进行简要的分析介绍。

二、典型材料介绍

2.1铝合金

铝合金凭借其独特的综合性能，成为下肢外骨骼结构设计中不可替代的基础材料。其核心优势首先体现于卓越的轻量化特性——相较于传统钢材，铝合金密度显著降低，直接减轻了外骨骼的自重负担，降低患者运动时的额外能耗，这对需长期穿戴的康复设备至关重要。其次，铝合金展现出优异的强度与刚度，在保证关键承重部件（如大腿支架、髋膝关节连接件）具备足够力学支撑性的同时，避免了因材料过重导致的运动迟滞。第三，良好的加工性与成形自由度使其可通过挤压、铸造、CNC等工艺实现复杂结构，精准匹配人体工学曲线，提升穿戴贴合度。此外，铝合金的固有耐腐蚀性降低了日常汗液侵蚀风险，而高导热性则有助于分散关节电机产生的热量，维持系统运行稳定性。

在下肢外骨骼的具体应用中，6000系（如6061-T6）和7000系（如7075）铝合金占据主导。前者因其均衡的强度、焊接性及耐腐蚀性，广泛用于主体框架、支撑杆件等非极端负载区域；后者则凭借更高的强度，集中于关节铰链、足踝联动机构等动态应力集中部位[2]。通过薄壁中空结构设计与结构优化技术，工程师进一步挖掘其轻量化潜力，能够在保障抗弯抗扭能力的前提下显著降低质量。

2.2碳纤维

碳纤维复合材料凭借其革命性的轻量化与力学特性，正深刻变革下肢外骨骼的设计范式。其核心价值首先源于极致的方向性强度与刚度，可在特定受力路径实现远超金属的性能，同时保持整体结构质量显著降低，患者在获得强大力学支撑时，几乎感受不到额外负重负担，大幅提升穿戴意愿与训练时长。其次，碳纤维层合结构具有卓越的振动衰减能力，可有效吸收步态周期中的冲击能量，减少关节瞬时峰值负荷，提升运动平滑度。更为独特的是其可设计性自由度：通过调整纤维取向、铺层顺序及厚度分布，工程师能精准调控局部刚度梯度，例如在膝关节铰链区实现高扭转刚性，而在大腿护板区保留适度柔性变形空间，完美匹配人体生物力学需求。在具体应用中，碳纤维常与金属嵌件或柔性织物传感器形成混合系统——碳纤维主体负责高效力传递与形态维持，金属部件确保关键连接可靠性，织物层则提供生理信号监测与舒适接触界面[3]。这种多材料集成策略，使外骨骼在生物力学适配精度与人机共融性上实现跃升。

2.3 PEEK

PEEK（Polyether Ether Ketone）中文名为聚醚醚酮，作为高性能特种工程塑料，凭借其独特的生物医学特性，为下肢外骨骼在人体直接接触界面与精密活动关节领域开辟了不可替代的应用维度。其核心价值首先体现于卓越的生物相容性与化学惰性——长期接触皮肤不引发过敏反应，耐受汗液、消毒剂侵蚀，且无金属离子析出风险，完美满足康复器械的长期安全穿戴需求。其次，PEEK的弹性模量接近人体骨骼，这一特性在承重部件中至关重要：相较于刚性金属，它能有效避免应力集中，实现载荷的生理性分布[4]。第三，其优异的减震阻尼特性可吸收步态冲击能量，配合固有的低摩擦系数，显著降低关节铰链的磨损噪音与振动传递，提升运动舒适度。尤为关键的是，PEEK具备医学影像兼容性，允许患者在穿戴状态下进行实时影像学评估，为康复进程监控提供无缝支持。

2.4 医用氨纶（织物）

医用氨纶作为康复机器人领域的关键材料，其核心价值在于卓越的生物相容性、精准可控的力学响应与多功能集成潜力。它严格遵循医疗器械安全标准，确保长期接触皮肤的安全性。其独特的高弹性和低滞后特性是实现人机自然交互的基础，能够大幅降低关节活动时的约束感，并精确同步人体运动，为嵌入传感器提供稳定的形变基础，保障生理信号采集的准确性。尤为重要的是其针织成型加工形式。这种技术利用精密的电脑横机或经编机，将医用氨纶纱线与其他功能性纤维（如导电丝、传感纤维）进行一体化编织。这种无缝隙集成制造不仅避免了传统缝合带来的摩擦点和应力集中，还能实现：精准压力分布、传感与驱动集成以及个性化适配[5]。因此，医用氨纶特别是通过先进针织工艺加工的智能织物，成为了康复机器人的“第二皮肤”，在保障安全舒适的前提下，赋予了刚性机器人系统仿生的柔顺性、动态贴合能力以及智能感知的载体，显著提升了康复训练的效果和患者依从性，是推动柔性可穿戴康复设备发展的关键材料。

三、总结与展望

康复机器人材料体系呈现 “刚柔并济，功能进化”的鲜明特征：铝合金提供轻量化基础支撑，碳纤维实现高强承力结构，PEEK凭借生物惰性与类金属强度成为植入级部件首选，而医用氨纶则通过智能编织技术构筑柔性交互层，赋予刚性系统仿生与传感集成能力。未来材料发展将聚焦材料间的组合应用，打破刚柔界限，构建 铝合金、碳纤维、PEEK等载骨架结合氨纶传感织物并嵌入式驱动单元的复合体系，实现基于个体解剖数据的梯度弹性结构。终极目标是打造生物-机械混合体：材料不仅能动态适配人体生理信号，更能通过闭环神经交互实现机器与生命体的深度协同。这标志着康复材料从 “机械替代”迈向“神经共生” 的范式变革，而医用氨纶等智能柔性材料将成为打通人机接口的核心载体。

四、参考文献

1、李建华， 王宇‌. 人口结构变迁下康复机器人技术演进路径分析[J]. ‌医疗器械导报‌， 2024, 38(6): 12-16.

2、张鹏飞, 王田苗, 贠超. 下肢康复机器人轻量化设计中的铝合金应用研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(15): 102-110.

3、李琳, 陈花玲, 邵金友. 碳纤维复合材料在可穿戴机器人关节结构中的层合设计[J]. 复合材料学报, 2022, 39(5): 2305-2314.

4、刘昌胜, 张捷, 章燕. 聚醚醚酮（PEEK）在骨科植入物中的生物相容性与力学适配性[J]. 中国生物医学工程学报, 2020, 39(3): 356-363.

5、朱美芳, 孙宾, 周哲. 智能针织氨纶基柔性传感器在人机交互中的应用进展[J]. 纺织学报, 2023, 44(1): 1-10.