現在，膝蓋不舒服的人越來越多了。突然腿軟、關節咔咔響、上下樓疼痛……在老齡化加速的今天，膝關節問題已不再是老年人的"專利"

近年來，全球膝關節損傷患者數量激增。關節韌帶撕裂、半月板損傷、關節脫位等問題已影響全球數十億人的行動能力，導致慢性疼痛和生活質量斷崖式下降。

傳統康復面臨的共同難題令人頭疼：高質量康復訓練資源稀缺、醫院設備龐大昂貴、患者需往返奔波、訓練時間短、經濟成本高，導致康復效果大打折扣。

就在膝關節康復領域急需突破之時，中國科學家帶來了令人振奮的好消息！

近日，北京航空航天大學機械工程及自動化學院的丁希侖教授、張武翔教授馮仰剛副教授團隊，聯合中國科學技術大學王柳特任教授，在國際知名綜合期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表了題為"Power-free knee rehabilitation robot for home-based isokinetic training"的研究論文，推出了首款無源等速抗阻膝關節康復機器人。丁希侖教授、張武翔教授、王柳教授和馮仰剛副教授為該文的共同通訊作者，馮仰剛副教授和吳昊洋博士為共同第一作者，北京航空航天大學為第一完成單位。

這款黑科技康復機器人最大的特點是——不需要外界電源！也就是說，不充電就能實現高效的膝關節等速康復訓練。

與傳統設備相比，不僅重量從600多公斤驟減至僅52公斤，體積小到可放入普通轎車后備箱，未來在家就能用！

更重要的是，臨床試驗證明其康復效果可以達到甚至可以超過那些醫院里的大型商用設備！

這對廣大膝關節患者來說，可以說是一場翻天覆地的變革。

為什么膝關節康復這么難？

目前膝關節康復主要通過等張、等長和等速訓練來實現，其中等速訓練結合了等張和等長訓練的優點，被認為是最有效的訓練之一，它能確保肌肉在整個關節運動范圍內施加最大張力，同時如果患者出現疼痛，機器會自動減少阻力，兼顧效果與安全。

然而，傳統的等速訓練設備的一些缺陷讓眾多患者望而卻步：

體積龐大：商用等速設備重量常超過600Kg

能耗高：工作電壓220V，功耗高達3450W

價格昂貴：專業設備動輒數十萬元

使用受限：只能在專業醫院或康復中心使用

圖1. 等速抗阻設備對比

這導致大多數患者只能在康復中心進行短暫的"打卡式"訓練，回家后就被迫中斷康復進程。研究表明，只有持續、系統的訓練才能達到理想康復效果，但現實條件卻讓這成為絕大多數患者的奢望。

北航團隊“自發電”等速抗阻膝關節康復機器人的技術創新

北航團隊的這項突破性成果，正是瞄準了這一"痛點中的痛點"，通過顛覆性技術有望讓高質量康復訓練真正走出醫院，走入尋常百姓家。

這款完全不依賴外部電源的等速康復機器人，最核心的創新在于"動態能量再生方法"，通過精確控制電機繞組短路時間，實現兩大關鍵功能的結合：

等速訓練控制：當患者訓練時，系統通過角度傳感器實時監測關節運動速度。一旦速度超過預設值(如60°/秒)，控制系統立即調整電機繞組短路時間，增加電磁阻尼，維持恒定訓練速度。

能量收集利用：同時，這個阻尼過程產生的感應電流被收集并儲存在超級電容器(40F, 5.5V)中，為整個設備的控制、傳感和通信系統供電。

簡言之，這款機器人能夠"化廢為寶"，將訓練過程中產生的"負機械功"轉化為電能，實現自給自足。實驗數據顯示，健康受試者的能量再生/消耗比率平均達到212%，術后患者也達到186%，意味著系統產生的能量遠超其消耗。

研究團隊采用了"電機繞組短路"(MWS)策略，通過調節短路時間控制感應電流，提供數十牛·米的電磁阻尼力矩，能耗低至幾瓦特。與傳統設備相比，總結來說，實現了：

高度集成：將電機、扭矩/角度傳感器、控制電路和能量再生電路集成到單個驅動模塊
輕量便攜：總重量僅52kg，是傳統設備的十分之一不到
智能控制：采用STM32F4微控制器，通過PI閉環控制算法精確調節PWM占空比
用戶友好：可拆卸式結構、萬向輪設計便于搬運存放；座椅角度可調適應不同身體姿態；腳踝固定裝置可互換支持雙腿訓練

設備通過藍牙模塊與智能手機連接，還能實現訓練數據實時監測、云端上傳和遠程醫療指導。患者可在家中完成訓練，而醫生可遠程評估進展并調整方案，極大提升了康復的便捷性和依從性。

臨床實驗效果理想

圖2. 無源特性實驗結果

為了全面評估無源等速抗阻機器人的性能，研究團隊招募了10名健康受試者和10名膝關節術后患者參與了無源特性實驗。實驗結果顯示，盡管個體肌肉力量存在差異，但是所有受試者的再生功率/消耗功率的比值均大于1，這一結果充分展示了該機器人在不同康復場景中，針對不同身體狀況的用戶，均能穩定提供無源等速訓練的能力

圖3. 肌肉輪廓變化臨床實驗

為了評估所提出機器人的康復效果，10名膝關節術后受試者參加了為期6周、每周兩次的康復臨床訓練。研究通過核磁共振掃描檢測受試者大腿橫截面積(cross-sectional area, CSA)在訓練前后的變化，并記錄了12次訓練中等速肌肉力量的變化。結果顯示，訓練后，受試者股四頭肌的CSA顯著增加，平均增長為2.92±1.46 cm2，增長率為5.93%±3.3%。同時，腘繩肌的CSA也明顯增加，平均增長為2.42±1.25 cm2，增長率為10.27%±5.5%。這些數據表明，該機器人在促進術后膝關節康復方面具有顯著效果。

圖4. 肌力變化臨床實驗結果

受試者不僅表現出顯著的形態學改變，其股四頭肌（抬腿）和腘繩肌（收腿）的肌肉力量也顯著增強。平均來看，股四頭肌的肌肉力量提升了70%，腘繩肌的肌肉力量提升了84%。具體而言，抬腿和收腿的平均力矩分別從訓練前的30.6±9.6 N·m和24.6±10.4 N·m，顯著提升至訓練后的51.9±16.4 N·m和45.1±8.6 N·m。這些數據進一步驗證了該機器人在增強肌肉力量和促進功能恢復方面的顯著效果。

圖5. 康復效果對比

在訓練效果的對比中，相比于商用等速訓練機器人，在相同的訓練持續時間和周期條件下，本研究提出的無源等速抗阻機器人展現出優異的訓練效果：其訓練后大腿橫截面積的增長率達到 5.9%，高于傳統商用設備的 3.7%；在抬腿扭矩提升方面，該機器人提升幅度為 70%，超過傳統商用設備的35.9%。

讓等速抗阻康復走入尋常百姓家，有望重塑康復醫療未來

這款無源等速抗阻機器人無疑代表了康復醫療設備的重要發展方向，實現了從龐大昂貴的醫院設備向輕量化、低成本、居家友好型設備的轉變。據悉，這項突破性研究得到了北醫三院、華西醫院、航天智能院、上海交大和北京大學等機構的合作支持，同時獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金等多項資金資助

全球康復醫療市場正以每年15%的速度增長，主要受人口老齡化加劇和慢性骨關節疾病患者增多的推動。傳統康復設備的局限性已成為制約市場發展的瓶頸，而北航團隊的創新有望改變全球康復市場格局。該設備不依賴外部電源的特性使康復訓練可在任何地點進行；輕量化設計大幅降低了生產、運輸和使用成本；此外，其康復效果可以達到甚至超越醫院級設備，或將為居家康復樹立新的標準。

在不久的將來，患者可以在醫生遠程指導下，通過這類智能康復設備在家完成專業水平的康復訓練，將訓練數據上傳云端供醫生評估和調整方案。這種模式不僅能為患者節省往返醫院的時間和費用，也能減輕醫療系統負擔，實現醫療資源的優化配置。

目前，該設備主要針對中后期康復患者，但研究團隊已有明確的未來發展規劃。他們計劃擴展更多訓練模式，如離心收縮等，以適應不同康復階段的需求，同時探索將此技術應用于踝關節、肘關節等其他關節的康復訓練。雖然目前仍處于實驗驗證階段，未公布最終售價，但從技術路線和成本結構來看，這款設備有機會大幅降低康復設備的價格門檻，使高質量康復訓練真正走入普通家庭。

這項中國原創科技的突破，有可能讓數億膝關節患者實現"居家也能享醫院級康復"的愿景。在不久的將來，這款"自發電"康復機器人也有可能像血壓計、血糖儀一樣，成為慢性病管理的家庭標配。

當高深科技落地解決國民健康痛點，這才是硬核創新的終極意義。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-57578-z