水下外骨骼减少水肺潜水的体能消耗与用气量

 摘要

采用外骨骼对水下运动提供助力，有望降低水肺潜水过程中的体能消耗与呼吸用气消耗。

拓展人类活动范围的需求，长期推动着运载装备、无人系统与可穿戴机器人的发展。踏板车这类载具可以搭载人类去往更远、更快的地方；地面无人车（UGV）则可进入人类难以直接抵达或风险较高的区域（图1A）。但复杂地形下的诸多任务并不仅仅是运输或远程抵达问题：搜救、勘探、长途行进往往需要人感知不确定环境、判断风险、调整姿态，并随任务进展即时做出反应。对于这类地面作业，外骨骼具备独特价值——它是对作业人员能力的增强，而非像载具一样把人运送至目的地，也不是用无人系统替代人的直接参与。水下外骨骼将这种人体增强理念延伸到了水肺潜水场景。潜水推进器（DPV）与水下无人潜器（UUV）虽然能够拓展移动距离、实现远程探测，但在狭窄、低能见度或环境动态变化的场景下，大量潜水任务仍然依赖潜水员自身的机动性、判断力与实时适应能力。在此背景下，水下外骨骼提供了另一种助力形式：它增强潜水员依靠脚蹼的自主游动能力，同时保留由人体直接主导的操控方式（视频S1）。

图1 面向水肺潜水的水下外骨骼

(A) 地面与水下外骨骼在人参与型任务中的作用。和地面外骨骼类似，水下外骨骼增强人体运动能力，辅助需要持续参与作业的人员。

(B) 水下外骨骼的核心设计要素包括设计约束、脚蹼踢动方式，以及装备形态、助力关节、助力模式之间的匹配选择。

(C) 下一代系统有望融合个性化助力与姿态稳定助力，从而降低用气消耗、提升稳定性。

图片版权说明：水下外骨骼图像转载自文献[7]，已获得《IEEE机器人汇刊》授权。

这种能力增强极具现实意义，因为水下活动受限于有限的呼吸气源。流体阻力、低温水体以及随身装备，使得每一次踢蹼都需要消耗大量体能，加速气瓶气体消耗。不过，水下外骨骼技术成熟度远低于用于行走、奔跑助力的地面外骨骼系统[1]，主要原因在于水环境从根本上改变了设计约束、运动模式，以及人体、设备与介质之间的相互作用关系（图1B）。

水下外骨骼首要的设计约束是装备集成。设备必须和标准潜水装具、其他配套装备兼容，需要专门布局。例如，结构要为气瓶、压载配重留出足够空间。防水是另一项硬性约束：驱动、传感与电路模块必须在水压环境下保持密封。同时，结构要支持紧急情况下快速脱卸。为此部分系统采用可分离缆线与快拆卡扣，便于潜水员紧急上浮时快速脱离外骨骼[2]。

除装备集成外，水下外骨骼的设计需要围绕目标助力的运动模式展开。潜水员常用多种踢蹼方式，包括交替踢（flutter kick）、蛙踢、水下行走及其变体，已有文献报道7种以上不同踢法。不同模式的关节协调方式、运动平面、水阻特性各不相同，因此装备构型、助力关节与助力方案需要匹配目标动作的力学特征。

总体来说，柔性外骨骼套装更适配多样化运动模式，其柔顺特性可以适应下肢大范围活动；浮力也降低了负重支撑需求，进一步适配柔性方案。但缆线驱动结构存在缠绕风险。刚性外骨骼则可以更直接地输出扭矩，但容易限制人体自然动作，降低运动灵活性，因此更适合矢状面内规律性较强的动作，例如交替踢蹼。

助力关节和助力模式的选择同样需要结合水下生物力学与水环境效应。早期水下外骨骼大多聚焦踝关节助力[3]；但近年生物力学研究表明，髋关节运动是高效蹼游的关键[4]。水动力阻力会在腿部伸展与屈曲全程形成阻碍[5]，提示相比单向助力，覆盖完整运动周期的髋关节双向助力方案更为合适。这一点和陆地运动明显不同：平地行走、爬楼梯等任务中，髋关节伸展、屈曲的负荷差异很大[6]，往往需要按任务切换模式或采用复杂双向驱动，带来额外重量，抵消助力收益；而水下浮力大幅削弱了该弊端，使髋关节双向助力成为更优选方案。

在助力效果评价方面，早期面向游泳场景的水下外骨骼主要依靠肌电信号（EMG）评估肌肉激活程度[3]。2025年起，面向潜水场景的装备开始采用**分钟通气量（RMV）**作为评价指标，该指标可直接反映有限呼吸气体的消耗速率。借助该指标，研究者在降低潜水体能与用气消耗方向取得多项进展。例如PEAKED（Performance-Enhancing Assistive Kicking Exosuit for Diving）是一款用于水肺潜水的柔性髋关节水下外骨骼，交替踢蹼时可将分钟通气量降低29.77%，蛙踢时降低25.70%，水下行走时降低18.35%[7]。吴等人研发的水下膝关节外骨骼可使分钟通气量下降22.7%[8]。上述研究是为数不多专门针对水肺潜水开展效果评估的水下外骨骼工作。虽然分钟通气量不能直接等同于代谢能耗，但它和水肺潜水最核心的限制因素——呼吸气体消耗速度密切相关。

未来还有多个方向可进一步优化水下外骨骼的助力效果（图1C）。第一，助力曲线仍有很大优化空间。现有系统虽然减少了用气，但很多方案沿用地面外骨骼的助力参数，或是仅针对特定动作调参。包含人在环（HIL）优化在内的个性化设计，可以让助力方案匹配每名潜水员的特征，进一步降低体能与气体消耗。第二，未来系统除推进助力外，还可增加姿态稳定助力。配重或装备布置不对称会造成潜水翻滚失衡，双腿差异化助力可以在维持前向推力的同时纠正该失衡。

综上，现有研究证实水下外骨骼能够降低水肺潜水的体能消耗与用气消耗，但该领域仍处于早期阶段。还需要开发更成熟的样机，并开展贴近真实场景的潜水试验，包括开放水域、海上试验，探明水下助力技术的实际应用边界。长远来看，将主动助力功能和潜水装具深度集成的水下外骨骼，有望把潜水穿戴装备从被动防护支撑，升级为以人中心的能力增强装备。

《Reducing energy and air consumption in scuba diving with underwater exoskeletons》作者完整信息

期刊：Science‑Robotics，2026‑10‑21，Vol.11, Issue 119，文章编号：eaed7305

1. 作者列表（原文）

Xiangyang Wang¹†, Yue Ma¹†, Xufei Wang¹,², Mengbo Luan¹, Yunxiang Li¹, Yongxuan Hong¹, Jianquan Sun¹, Sida Du¹, Tiantian Xu¹, Chunjie Chen¹*, Xinyu Wu¹*

注释符号说明

† 共同第一作者：王向阳（Xiangyang Wang）、马悦（Yue Ma），两位同等贡献

* 通讯作者：王向阳 (Xiangyang Wang)、陈春杰 (Chunjie Chen)、吴新宇 (Xinyu Wu)

2. 单位信息

¹ 中国科学院深圳先进技术研究院，中国深圳，518055

² 清华大学深圳国际研究生院，中国深圳，518055

支持单位：