现在，膝盖不舒服的人越来越多了。突然腿软、关节咔咔响、上下楼疼痛……在老龄化加速的今天，膝关节问题已不再是老年人的"专利"
近年来，全球膝关节损伤患者数量激增。关节韧带撕裂、半月板损伤、关节脱位等问题已影响全球数十亿人的行动能力，导致慢性疼痛和生活质量断崖式下降。
传统康复面临的共同难题令人头疼：高质量康复训练资源稀缺、医院设备庞大昂贵、患者需往返奔波、训练时间短、经济成本高，导致康复效果大打折扣。
就在膝关节康复领域急需突破之时，中国科学家带来了令人振奋的好消息！
近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院的丁希仑教授、张武翔教授冯仰刚副教授团队，联合中国科学技术大学王柳特任教授，在国际知名综合期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为"Power-free knee rehabilitation robot for home-based isokinetic training"的研究论文，推出了首款无源等速抗阻膝关节康复机器人。丁希仑教授、张武翔教授、王柳教授和冯仰刚副教授为该文的共同通讯作者，冯仰刚副教授和吴昊洋博士为共同第一作者，北京航空航天大学为第一完成单位。
这款黑科技康复机器人最大的特点是——不需要外界电源！也就是说，不充电就能实现高效的膝关节等速康复训练。
与传统设备相比，不仅重量从600多公斤骤减至仅52公斤，体积小到可放入普通轿车后备箱，未来在家就能用！
更重要的是，临床试验证明其康复效果可以达到甚至可以超过那些医院里的大型商用设备！
这对广大膝关节患者来说，可以说是一场翻天覆地的变革。
为什么膝关节康复这么难？
目前膝关节康复主要通过等张、等长和等速训练来实现，其中等速训练结合了等张和等长训练的优点，被认为是最有效的训练之一，它能确保肌肉在整个关节运动范围内施加最大张力，同时如果患者出现疼痛，机器会自动减少阻力，兼顾效果与安全。
然而，传统的等速训练设备的一些缺陷让众多患者望而却步：
体积庞大：商用等速设备重量常超过600Kg
能耗高：工作电压220V，功耗高达3450W
价格昂贵：专业设备动辄数十万元
使用受限：只能在专业医院或康复中心使用
图1. 等速抗阻设备对比
这导致大多数患者只能在康复中心进行短暂的"打卡式"训练，回家后就被迫中断康复进程。研究表明，只有持续、系统的训练才能达到理想康复效果，但现实条件却让这成为绝大多数患者的奢望。
北航团队“自发电”等速抗阻膝关节康复机器人的技术创新
北航团队的这项突破性成果，正是瞄准了这一"痛点中的痛点"，通过颠覆性技术有望让高质量康复训练真正走出医院，走入寻常百姓家。
这款完全不依赖外部电源的等速康复机器人，最核心的创新在于"动态能量再生方法"，通过精确控制电机绕组短路时间，实现两大关键功能的结合：
等速训练控制：当患者训练时，系统通过角度传感器实时监测关节运动速度。一旦速度超过预设值(如60°/秒)，控制系统立即调整电机绕组短路时间，增加电磁阻尼，维持恒定训练速度。
能量收集利用：同时，这个阻尼过程产生的感应电流被收集并储存在超级电容器(40F, 5.5V)中，为整个设备的控制、传感和通信系统供电。
简言之，这款机器人能够"化废为宝"，将训练过程中产生的"负机械功"转化为电能，实现自给自足。实验数据显示，健康受试者的能量再生/消耗比率平均达到212%，术后患者也达到186%，意味着系统产生的能量远超其消耗。
研究团队采用了"电机绕组短路"(MWS)策略，通过调节短路时间控制感应电流，提供数十牛·米的电磁阻尼力矩，能耗低至几瓦特。与传统设备相比，总结来说，实现了：
高度集成：将电机、扭矩/角度传感器、控制电路和能量再生电路集成到单个驱动模块
轻量便携：总重量仅52kg，是传统设备的十分之一不到
智能控制：采用STM32F4微控制器，通过PI闭环控制算法精确调节PWM占空比
用户友好：可拆卸式结构、万向轮设计便于搬运存放；座椅角度可调适应不同身体姿态；脚踝固定装置可互换支持双腿训练
设备通过蓝牙模块与智能手机连接，还能实现训练数据实时监测、云端上传和远程医疗指导。患者可在家中完成训练，而医生可远程评估进展并调整方案，极大提升了康复的便捷性和依从性。
临床实验效果理想
图2. 无源特性实验结果
为了全面评估无源等速抗阻机器人的性能，研究团队招募了10名健康受试者和10名膝关节术后患者参与了无源特性实验。实验结果显示，尽管个体肌肉力量存在差异，但是所有受试者的再生功率/消耗功率的比值均大于1，这一结果充分展示了该机器人在不同康复场景中，针对不同身体状况的用户，均能稳定提供无源等速训练的能力
图3. 肌肉轮廓变化临床实验
为了评估所提出机器人的康复效果，10名膝关节术后受试者参加了为期6周、每周两次的康复临床训练。研究通过核磁共振扫描检测受试者大腿横截面积(cross-sectional area, CSA)在训练前后的变化，并记录了12次训练中等速肌肉力量的变化。结果显示，训练后，受试者股四头肌的CSA显著增加，平均增长为2.92±1.46 cm²，增长率为5.93%±3.3%。同时，腘绳肌的CSA也明显增加，平均增长为2.42±1.25 cm²，增长率为10.27%±5.5%。这些数据表明，该机器人在促进术后膝关节康复方面具有显著效果。
图4. 肌力变化临床实验结果
受试者不仅表现出显著的形态学改变，其股四头肌（抬腿）和腘绳肌（收腿）的肌肉力量也显著增强。平均来看，股四头肌的肌肉力量提升了70%，腘绳肌的肌肉力量提升了84%。具体而言，抬腿和收腿的平均力矩分别从训练前的30.6±9.6 N·m和24.6±10.4 N·m，显著提升至训练后的51.9±16.4 N·m和45.1±8.6 N·m。这些数据进一步验证了该机器人在增强肌肉力量和促进功能恢复方面的显著效果。
图5. 康复效果对比
在训练效果的对比中，相比于商用等速训练机器人，在相同的训练持续时间和周期条件下，本研究提出的无源等速抗阻机器人展现出优异的训练效果：其训练后大腿横截面积的增长率达到 5.9%，高于传统商用设备的 3.7%；在抬腿扭矩提升方面，该机器人提升幅度为 70%，超过传统商用设备的35.9%。
让等速抗阻康复走入寻常百姓家，有望重塑康复医疗未来
这款无源等速抗阻机器人无疑代表了康复医疗设备的重要发展方向，实现了从庞大昂贵的医院设备向轻量化、低成本、居家友好型设备的转变。据悉，这项突破性研究得到了北医三院、华西医院、航天智能院、上海交大和北京大学等机构的合作支持，同时获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等多项资金资助
全球康复医疗市场正以每年15%的速度增长，主要受人口老龄化加剧和慢性骨关节疾病患者增多的推动。传统康复设备的局限性已成为制约市场发展的瓶颈，而北航团队的创新有望改变全球康复市场格局。该设备不依赖外部电源的特性使康复训练可在任何地点进行；轻量化设计大幅降低了生产、运输和使用成本；此外，其康复效果可以达到甚至超越医院级设备，或将为居家康复树立新的标准。
在不久的将来，患者可以在医生远程指导下，通过这类智能康复设备在家完成专业水平的康复训练，将训练数据上传云端供医生评估和调整方案。这种模式不仅能为患者节省往返医院的时间和费用，也能减轻医疗系统负担，实现医疗资源的优化配置。
目前，该设备主要针对中后期康复患者，但研究团队已有明确的未来发展规划。他们计划扩展更多训练模式，如离心收缩等，以适应不同康复阶段的需求，同时探索将此技术应用于踝关节、肘关节等其他关节的康复训练。虽然目前仍处于实验验证阶段，未公布最终售价，但从技术路线和成本结构来看，这款设备有机会大幅降低康复设备的价格门槛，使高质量康复训练真正走入普通家庭。
这项中国原创科技的突破，有可能让数亿膝关节患者实现"居家也能享医院级康复"的愿景。在不久的将来，这款"自发电"康复机器人也有可能像血压计、血糖仪一样，成为慢性病管理的家庭标配。
当高深科技落地解决国民健康痛点，这才是硬核创新的终极意义。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-57578-z
