Адаптивный экзоскелет: Индивидуальная поддержка для повседневной ходьбы

Люди редко идут с постоянной скоростью и одним наклоном. Мы меняем скорость, когда спешим к следующей встрече, ловим сигнал перехода или идём на обычную прогулку в парке. Склоны меняются постоянно, سواء мы идём в поход или поднимаемся по пандусу в здание. Помимо экологической изменчивости, то, как мы ходим, влияет пол, рост, возраст и мышечная сила, а иногда неврологические или мышечные расстройства, такие как инсульт или болезнь Паркинсона.

Эта человеческая и задачная изменчивость — главная проблема в проектировании носимой робототехники для помощи или усиления ходьбы в реальных условиях. Доселе настройка роботизированной помощи экзоскелета к индивидуальной ходьбе требовала часов ручной или автоматической настройки — утомительная задача для здоровых людей и часто невозможная для пожилых или клинических пациентов.

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Паулсона (SEAS) разработали новый подход, при котором роботизированная помощь экзоскелета может быть откалибрована к индивидуалу и адаптироваться к разным реальным задачам ходьбы за несколько секунд. Биоинспирированная система использует ультразвуковые измерения мышечной динамики для разработки персонализированного и специфичного для активности профиля помощи для пользователей экзоскелета.

Предыдущие биоинспирированные попытки разработки индивидуализированных профилей помощи для роботизированных экзоскелетов фокусировались на динамических движениях конечностей носителя. Исследователи SEAS выбрали другой подход.

Не обязательно существует прямое отображение между движением конечностей и движением базовых мышц, приводящих их в движение. Так что, чтобы изучить мышечную динамику, команда прикрепила портативную ультразвуковую систему к икрам участников и визуализировала их мышцы, пока они выполняли серию задач ходьбы.

Из этих предзаписанных изображений они оценили pomocовую силу, применяемую параллельно икрам, чтобы компенсировать дополнительную работу, которую им нужно выполнять в фазе отталкивания цикла ходьбы. Новая система нуждается только в нескольких секундах ходьбы — даже один шаг может быть достаточен для захвата профиля мышцы.

Для каждого из ультразвуково-сгенерированных профилей исследователи затем измерили, сколько метаболической энергии человек использовал во время ходьбы с и без экзоскелета. Они обнаружили, что мышечно-основанная помощь, предоставляемая экзоскелетом, значительно снизила метаболическую энергию ходьбы по диапазону скоростей и наклонов.

Экзоскелет также применял меньшую силу помощи для достижения той же или улучшенной выгоды метаболической энергии, чем было записано в ранее опубликованных исследованиях. «Измеряя мышцу напрямую, мы можем работать более интуитивно с человеком, использующим экзоскелет», — сказал аспирант Сангджун Ли. «С этим подходом экзоскелет не подавляет носителя, он работает кооперативно с ними». Когда тестировался в реальных ситуациях, экзоскелет смог быстро адаптироваться к изменениям скорости ходьбы и наклона.

Далее, исследовательская команда намерена протестировать систему, делающую постоянные корректировки в реальном времени.