Мягкий экзокостюм может автоматически адаптироваться к потребностям ходьбы
Наша походка постоянно меняется. Мы меняем скорость и приспосабливаемся к наклонам, даже не задумываясь об этом. Из-за этой изменчивости сложно воссоздать ходьбу с помощью экзоскелетов. Однако исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) разработали подход, который автоматически регулирует мягкий экзоскелет в зависимости от того, как человек ходит.
Как правило, настройка экзоскелетов в соответствии с походкой требует нескольких часов ручной или автоматической настройки. Этот процесс может быть трудным для здорового человека, а иногда почти невозможным для пожилых людей или клинических пациентов.
Исследователи SEAS применяют уникальный подход к разработке своего экзоскелета. Вместо того, чтобы сосредоточиться на динамических движениях конечностей пользователя, они создали стратегию помощи, основанную на мышцах.
«Мы записали динамику камбаловидной мышцы людей с помощью УЗИ при различных скоростях ходьбы и наклонах. На основе этих предварительно записанных изображений мы оценили силу, создаваемую камбаловидной мышцей за счет неэффективного концентрического сокращения, и разработали профиль помощи экзокостюма, пропорциональный этой расчетной силе. Мы оценили этот подход с использованием двустороннего экзокостюма на щиколотку при каждом измеренном задании по ходьбе», — сообщили исследователи.
С помощью этой стратегии портативная ультразвуковая система выполняет ультразвуковые измерения икроножных мышц. Эти измерения позволяют оценить силу, создаваемую этими мышцами. Используя измерения, исследователи разрабатывают индивидуальный профиль помощи. Затем экзокостюм автоматически предписывает количество помощи, необходимое для разных скоростей ходьбы и наклонов. Экзокостюм обеспечивает меньшую вспомогательную силу, чтобы помочь кому-то ходить.
«Мы использовали ультразвук, чтобы заглянуть под кожу, и напрямую измерили, что мышцы пользователя делают во время нескольких задач по ходьбе. Наши мышцы и сухожилия податливы, а это означает, что не обязательно существует прямое соответствие между движением конечностей и движением основных мышц, управляющих их движением»
Что отличает этот метод от предыдущих, так это способность экзоскелета автоматически определять помощь, в которой человек нуждается при ходьбе с разной скоростью и наклонами. Экзокостюму требуется всего несколько секунд ходьбы, чтобы запечатлеть профиль мышцы.
По словам исследователей, этот экзокостюм может быстро адаптироваться к реальным условиям. Когда ученые измерили метаболическую энергию, используемую с костюмом и без него, они обнаружили, что костюм значительно снижает количество используемой метаболической энергии.
Аспирант SEAS и соавтор исследования Санджун Ли рассказал: «Измеряя мышцы напрямую, мы можем более интуитивно работать с человеком, использующим экзокостюм. При таком подходе экзокостюм не подавляет владельца, а работает вместе с ним».
Это исследование является результатом сотрудничества Гарвардской лаборатории биоробототехники и Гарвардской лаборатории биодизайна, возглавляемой Конором Дж. Уолшем — профессором инженерных и прикладных наук в SEAS. Исследователи SEAS планируют двигаться дальше, проверяя, как система работает с постоянными корректировками в реальном времени.
«Вариация походки человека зависит от индивидуальной физиологии, окружающей среды и задачи ходьбы. Следовательно, в области носимой робототехники существует явная потребность в настройке помощи пользователю и задачи. Здесь мы разработали стратегию помощи на основе мышц, в которой помощь экзокостюма была получена на основе прямых измерений динамики мышц человека во время выполнения конкретных задач», — говорится в исследовании.
При испытаниях в реальных условиях экзокостюм смог быстро адаптироваться к изменениям скорости ходьбы и наклона.
«Такой подход может способствовать внедрению носимых роботов в реальных динамических ситуациях, обеспечивая удобную, адаптированную помощь»
Гарвардская школа инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона служит связующим звеном и интегратором учебной и исследовательской деятельности Гарварда в области инженерии, прикладных наук и технологий. Благодаря сотрудничеству с исследователями из всех частей Гарварда, других университетов, а также с корпоративными и фундаментальными партнерами ученые вносят открытия и инновации непосредственно для улучшения жизни людей и общества.
Институт биологической инженерии Висса при Гарвардском университете использует принципы дизайна природы для разработки материалов и устройств, основанных на биохимии, которые изменят медицину и создадут более устойчивый мир.
Исследователи Висса разрабатывают новые инновационные инженерные решения для здравоохранения, энергетики, архитектуры, робототехники и производства, которые претворяются в коммерческие продукты и методы лечения благодаря сотрудничеству с клиническими исследователями, корпоративными альянсами и созданию новых стартапов.
Институт создает революционные технологические прорывы, участвуя в исследованиях высокого риска и преодолевая дисциплинарные и институциональные барьеры, работая как альянс, включающий Гарвардские школы медицины, инженерии, искусства и науки и дизайна, а также в партнерстве со многими медицинскими учреждениями и другими университетами.
