Персонализированный экзокостюм для ходьбы в реальном мире

Люди редко ходят с постоянной скоростью и одним наклоном. Мы меняем скорость, когда спешим на следующую встречу, ловим сигнал пешеходного перехода или прогуливаемся по парку. Склоны тоже постоянно меняются, идем ли мы в поход или поднимаемся по пандусу в здание. В дополнение к переменным факторам окружающей среды на то, как мы ходим, влияют пол, рост, возраст и мышечная сила, а иногда и нервные или мышечные расстройства, такие как инсульт или болезнь Паркинсона.

Эта изменчивость человека и задач является серьезной проблемой при разработке носимой робототехники для помощи или улучшения ходьбы в реальных условиях. На сегодняшний день настройка носимой роботизированной помощи при ходьбе человека требует часов ручной или автоматической настройки — утомительная задача для здоровых людей и часто невозможная для пожилых людей или пациентов с клиническими заболеваниями.

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали новый подход, при котором помощь роботизированного экзокостюма может быть откалибрована для человека и адаптирована к различным задачам ходьбы в реальном мире за считанные секунды. Биоинспирированная система использует ультразвуковые измерения мышечной динамики для разработки персонализированного и конкретного профиля помощи для пользователей экзокостюма.

Предыдущие биоинспирированные попытки разработать индивидуальные профили помощи для роботизированных экзокостюмов были сосредоточены на динамических движениях конечностей владельца. Исследователи SEAS выбрали другой подход.

Не обязательно существует прямое соответствие между движением конечностей и лежащими в их основе мышцами, управляющими их движением. Итак, чтобы изучить мышечную динамику, команда привязала портативную ультразвуковую систему к икрам участников и визуализировала их мышцы, когда они выполняли серию упражнений при ходьбе.

По этим предварительно записанным изображениям они оценили вспомогательную силу, которая должна быть приложена параллельно икроножным мышцам, чтобы компенсировать дополнительную работу, которую им необходимо выполнять во время фазы отталкивания цикла ходьбы. Новой системе требуется всего несколько секунд ходьбы — даже одного шага может быть достаточно, чтобы зафиксировать профиль мышцы.

Затем для каждого из профилей, созданных ультразвуком, исследователи измерили, сколько метаболической энергии человек использовал во время ходьбы в экзокостюме и без него. Они обнаружили, что мышечная поддержка, обеспечиваемая экзокостюмом, значительно снижает метаболическую энергию ходьбы при ходьбе с разной скоростью и наклоном.

Экзокостюм также применял меньшую вспомогательную силу для достижения того же или улучшенного преимущества метаболической энергии, чем было зарегистрировано в ранее опубликованных исследованиях. «Измеряя мышцы напрямую, мы можем более интуитивно работать с человеком, использующим экзокостюм», — сказал аспирант Сангджун Ли. «При таком подходе экзокостюм не подавляет владельца, он работает с ним совместно». При тестировании в реальных условиях экзокостюм смог быстро адаптироваться к изменениям скорости ходьбы и наклона.

Затем исследовательская группа стремится протестировать систему, внося постоянные корректировки в режиме реального времени.