М'який екзокостюм може автоматично адаптуватися до потреб ходьби
Наша хода постійно змінюється. Ми змінюємо швидкість і пристосовуємося до нахилів, навіть не задумуючись про це. Через цю мінливість складно відтворити ходьбу за допомогою екзоскелетів. Однак дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук (SEAS) розробили підхід, який автоматично налаштовує м'який екзоскелет залежно від того, як людина ходить.
Як правило, налаштування екзоскелетів під ходьбу вимагає кількох годин ручного або автоматичного налаштування. Цей процес може бути складним для здорової людини, а іноді майже неможливим для літніх людей або клінічних пацієнтів.
Дослідники SEAS застосовують унікальний підхід до розробки свого екзоскелета. Замість того щоб зосередитися на динамічних рухах кінцівок користувача, вони створили стратегію допомоги, засновану на м'язах.
«Ми записали динаміку камбаловидного м'яза людей за допомогою УЗД при різних швидкостях ходьби та нахилах. На основі цих попередньо записаних зображень ми оцінили силу, яку створює камбаловидний м'яз за рахунок неефективного концентричного скорочення, і розробили профіль допомоги екзокостюма, пропорційний цій розрахунковій силі. Ми оцінили цей підхід з використанням двобічного екзокостюма на щиколотку під час кожного виміряного завдання з ходьби», — повідомили дослідники.
За допомогою цієї стратегії портативна ультразвукова система виконує ультразвукові вимірювання м'язів литки. Ці вимірювання дають змогу оцінити силу, яку створюють ці м'язи. Використовуючи дані вимірювань, дослідники розробляють індивідуальний профіль допомоги. Потім екзокостюм автоматично визначає обсяг допомоги, необхідний для різних швидкостей ходьби та нахилів. Екзокостюм забезпечує меншу допоміжну силу, щоб допомогти комусь ходити.
«Ми використали ультразвук, щоб зазирнути під шкіру, і безпосередньо виміряли, що роблять м'язи користувача під час кількох завдань з ходьби. Наші м'язи і сухожилля податливі, а це означає, що не обов'язково існує пряма відповідність між рухом кінцівок і рухом основних м'язів, які керують їхнім рухом»
Що відрізняє цей метод від попередніх, так це здатність екзоскелета автоматично визначати допомогу, якої людина потребує під час ходьби з різною швидкістю та нахилами. Екзокостюму потрібно лише кілька секунд ходьби, щоб зафіксувати профіль м'яза.
За словами дослідників, цей екзокостюм може швидко адаптуватися до реальних умов. Коли вчені виміряли метаболічну енергію, яку використовують з костюмом і без нього, вони виявили, що костюм суттєво знижує її витрати.
Аспірант SEAS і співавтор дослідження Санджун Лі розповів: «Вимірюючи м'язи безпосередньо, ми можемо інтуїтивніше працювати з людиною, яка використовує екзокостюм. За такого підходу екзокостюм не пригнічує власника, а працює разом із ним».
Це дослідження є результатом співпраці Гарвардської лабораторії біоробототехніки та Гарвардської лабораторії біодизайну, яку очолює Конор Дж. Уолш — професор інженерних і прикладних наук у SEAS. Дослідники SEAS планують рухатися далі, перевіряючи, як система працює з постійними коригуваннями в реальному часі.
«Варіація ходи людини залежить від індивідуальної фізіології, навколишнього середовища та завдання ходьби. Отже, у галузі носимої робототехніки існує очевидна потреба в налаштуванні допомоги під користувача і завдання. Тут ми розробили стратегію допомоги на основі м'язів, у якій допомога екзокостюма була отримана на основі прямих вимірювань динаміки м'язів людини під час виконання конкретних завдань», — йдеться в дослідженні.
Під час випробувань у реальних умовах екзокостюм зміг швидко адаптуватися до змін швидкості ходьби та нахилу.
«Такий підхід може сприяти впровадженню носимих роботів у реальних динамічних ситуаціях, забезпечуючи зручну, адаптовану допомогу»
Гарвардська школа інженерії та прикладних наук Джона А. Полсона слугує ланкою та інтегратором навчальної та дослідницької діяльності Гарварда в галузі інженерії, прикладних наук і технологій. Завдяки співпраці з дослідниками з усіх частин Гарварду, інших університетів, а також з корпоративними та фундаментальними партнерами вчені роблять відкриття та впроваджують інновації безпосередньо для покращення життя людей і суспільства.
Інститут біологічної інженерії Вісса при Гарвардському університеті використовує принципи дизайну природи для розробки матеріалів і пристроїв на основі біохімії, які змінять медицину та створять більш стійкий світ.
Дослідники Вісса розробляють нові інноваційні інженерні рішення для охорони здоров'я, енергетики, архітектури, робототехніки та виробництва, які втілюються в комерційні продукти та методи лікування завдяки співпраці з клінічними дослідниками, корпоративними альянсами та створенню нових стартапів.
Інститут створює революційні технологічні прориви, беручи участь у дослідженнях високого ризику та долаючи дисциплінарні й інституційні бар'єри, працюючи як альянс, що включає Гарвардські школи медицини, інженерії, мистецтв і наук та дизайну, а також у партнерстві з багатьма медичними установами та іншими університетами.
