皮肤接触触觉刺激在早产儿的神经发育中起着关键作用，有助于改善生理稳定性、感觉整合和照料者情感纽带。然而，在新生儿重症监护病房（Neonatal Intensive Care Units, NICU）中，由于训练有素人员的匮乏和手动操作的固有变异性，提供一致性的触觉疗法常常受到限制。这催生了对能够以可控和可重复方式复现临床相关触觉刺激的辅助技术的需求。本研究提出了一种软体气动机器人系统，旨在复现为新生儿疗法设计的临床启发式触觉刺激。所提方法整合了手动触觉交互的实验表征、气动系统建模和闭环控制。从一名新生儿科专家获得的力测量数据用于定义临床基础的刺激水平，轻度刺激的平均力值为0.594 N，中度刺激为1.267 N。这些数值通过实验确定的力、压力和电流之间的线性关系映射到执行器压力，从而定义了治疗压力参考值。一个由3×3纺织气动执行器组成的矩阵与电气气动驱动系统、压力传感和电流监测集成，以实现所提出的治疗平台。评估了两种控制策略：基线压力死区控制器和一个结合了驱动调整与基于电流保护的改进型死区控制器。实验结果表明，改进型控制器将压力保持在治疗压力带内的时间比例从30.8%提高到76.1%，同时将平均压力误差从0.68 kPa降低到0.15 kPa，均方根（Root-Mean-Square, RMS）误差从0.92 kPa降低到0.38 kPa。在不同机械接口条件下进行的鲁棒性测试显示出稳定且一致的压力调节性能。这些结果证明了将临床推导的触觉刺激转化为可控气动驱动的可行性，通过使用软体机器人平台。通过结合临床基础参考值、基于压力的闭环控制和面向安全的电流监测，所提出的系统为新生儿触觉疗法提供了一个可重复且安全的临床前平台，并支持开发用于临床代表性新生儿护理环境的辅助软体机器人技术。
研究人员设计并验证了一套软体气动机器人系统，旨在为早产儿提供可重复且安全的皮肤接触触觉疗法。该研究针对NICU中因专业人员短缺和手动操作变异性导致的疗法实施难题，试图通过软体机器人技术复现临床有效的触觉刺激。研究核心在于建立从临床测量到机器人驱动的直接映射关系，并通过闭环控制确保刺激的安全性与一致性。研究整合了临床力测量、气动系统建模与闭环控制设计。研究人员首先在新生儿模型上，使用定制测量平台记录了一位新生儿科专家施加的轻度与中度触觉力，并提取了力的大小、运动轨迹及时序特征，为控制系统提供了临床基础的参考值。随后，设计并制备了由TPU涂覆尼龙织物热封而成的3×3矩阵软气动执行器阵列，集成了气泵、电磁阀、压力与电流传感器等硬件。在控制策略方面，研究人员评估了基础压力死区控制器和一种结合了PWM调整与电流保护的改进型死区控制器。实验验证表明，改进型控制器显著提升了压力控制精度与稳定性，将压力维持在治疗区间的时间比例提升至76.1%，并大幅降低了误差。该研究证明了软体气动平台复现临床触觉疗法的可行性，为新生儿护理提供了潜在的辅助技术方案。
**关键技术方法**：本研究主要采用以下关键技术：1) 临床触觉力表征：使用定制测量平台（集成称重传感器与柔性硅胶膜）采集新生儿科专家在轻度和中度刺激下的力数据，并通过计算机视觉（MediaPipe, OpenCV）分析运动轨迹，提取力度与动作时序参数。2) 软气动执行器阵列制备：基于TPU涂覆尼龙织物，通过热封工艺制造3×3矩阵柔性执行器，并通过3D打印连接器集成气路。3) 系统建模与闭环控制：通过实验建立执行器气压与输出力、驱动电流之间的近似线性模型；设计并实现了两种死区压力控制器（基础型与带电流保护的改进型），在Arduino平台上进行实时控制。研究样本队列来源为新生儿模型（StandInBaby®）。
**研究结果**：
**专家施加触觉刺激的实验表征**：
* **触觉刺激的力表征**：通过对专家施加的力信号进行滤波和峰值检测分析，研究人员确定了轻度刺激（平均力0.594 N，标准差0.155 N）和中度刺激（平均力1.267 N，标准差0.241 N）的代表性力值及相应的治疗力区间。这些临床测量值构成了机器人控制的力参考目标。
* **运动模式与充气时长的表征**：通过计算机视觉分析专家手部运动视频，提取了线性、环形和对角线三种触觉模式的指尖轨迹。分析表明，不同模式下的运动周期具有高度一致性（平均约5.217秒）。根据3×3执行器阵列的空间离散化，每个执行器的充气时长被定义为运动周期的三分之一（Tr = 1.739秒），并由此映射出相应的执行器激活序列。
* **气动特性表征与参考压力确定**：研究人员通过实验表征了气动系统，建立了执行器气压差（ΔP）与输出力（F）、驱动电流（I）之间的近似线性关系模型（F=0.2317ΔP+0.0253; I=0.0197ΔP+0.0028）。基于此，将临床力区间映射为对应的气压控制区间，用于轻度刺激（ΔP∈[0.650, 3.244] kPa）和中度刺激（ΔP∈[3.877, 6.786] kPa）。传感子系统（电流传感器和压力传感器）经过校准，以确保测量准确性。
* **感知子系统实现**：对GY-169霍尔效应电流传感器进行了实验校准，获得了ADC读数与实际电流之间的线性转换关系（I=0.003338·ADC-0.026673）。ASDX系列压力传感器提供了稳定的气压测量。这些传感器构成了闭环控制的反馈基础。
**闭环控制系统性能**：
* **控制器整体性能**：在动态刺激条件下（三种模式、两种强度），研究人员对比了基础死区控制器（Controller 1）和改进型死区控制器（Controller 2）的性能。结果表明，Controller 2显著提升了压力调节能力：将压力维持在治疗区间内的时间比例从30.8%提高到76.1%，平均压力误差从0.68 kPa降低到0.15 kPa，RMS误差从0.92 kPa降低到0.38 kPa，且性能变异性更低。这主要归因于Controller 2为不同刺激强度设置了差异化的PWM值以优化驱动动态，并集成了电流保护作为安全约束。
* **接口厚度鲁棒性**：为评估控制器对机械接口变化的鲁棒性，研究人员测试了17.5 mm、25 mm和50 mm三种不同厚度的垫片（模拟执行器与体表间隔）。结果显示，改进型Controller 2在所有测试配置下均保持了稳定且优异的性能，压力带内时间比例维持在76.0%-81.5%之间，误差指标变化很小，证明了该控制策略对实际应用中常见的界面条件变化具有较好的适应性。
**讨论与结论总结**：
讨论部分指出，本研究成功证明了使用软气动系统定量复现临床启发式触觉刺激的可行性。通过将临床测量数据作为设计基础，建立了力-压力-电流的可靠映射关系，为控制提供了坚实的临床依据。控制策略的对比凸显了匹配驱动动态与系统行为的重要性，改进型控制器通过优化驱动参数和增加电流保护，显著提高了压力调节的精度和鲁棒性。研究的局限性包括力表征数据仅来自单一临床专家，使用了新生儿模型而非真实组织，且控制的是气压而非直接测量接触力。
结论部分总结道，本研究提出并实验验证了一套用于新生儿疗法的软体气动机器人系统。其核心贡献在于建立了临床测量触觉力与气动控制变量之间的直接映射关系，并证明了适当调整驱动参数对于实现气动系统中稳定压力调节的关键性。改进型控制器实现了高达76.1%的治疗区间内时间，显著降低了压力误差。集成电流监控增强了系统在高负载条件下的安全性。该系统还展示了对机械接口变化的鲁棒性。总体而言，结果证实软体气动驱动能够以可控、安全、可重复的方式复现临床推导的触觉刺激模式，为新生儿护理的量化、可重复触觉刺激技术发展做出了贡献。未来工作将集中在集成分布式力传感以实现直接反馈、提高执行器密度以增强空间分辨率，以及在涉及新生儿患者的临床环境中验证该系统。
