柔软外骨骼套装可自动适应行走需求
我们的步态一直在变化。我们会改变速度，并下意识地适应坡度。由于这种多变性，很难通过外骨骼重现行走过程。然而，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发了一种方法，可根据人的行走方式自动调节柔软外骨骼。
通常，让外骨骼适应步态需要数小时的手动或自动调试。对健康人来说，这一过程已经很困难，而对老年人或临床患者来说，有时几乎无法完成。
SEAS的研究人员在外骨骼设计上采用了独特的思路。他们没有聚焦于使用者肢体的动态运动，而是建立了一种基于肌肉的辅助策略。
“我们借助超声波记录了人在不同步行速度和坡度下比目鱼肌的动态。基于这些预先记录的图像，我们通过离心收缩效率低下的方式估算了比目鱼肌产生的力量，并据此设计了与该估算力量成比例的外骨骼辅助曲线。我们在每项测量的步行任务中，使用双侧踝部外骨骼对该方法进行了评估。”研究人员表示。
借助这一策略，便携式超声系统对小腿肌肉进行超声测量。这些测量可用于估算这些肌肉产生的力量。研究人员利用测量结果制定个性化的辅助曲线。随后，外骨骼会自动确定不同步行速度和坡度所需的辅助量。外骨骼提供的辅助力较小，以帮助人行走。
“我们利用超声波透视皮肤，直接测量了使用者在多项步行任务中肌肉的实际工作情况。我们的肌肉和肌腱具有弹性，这意味着肢体运动与驱动其运动的主要肌肉运动之间不一定存在直接对应关系”
这一方法与以往技术的区别在于，外骨骼能够自动判断人在不同速度和坡度下行走时所需的辅助。外骨骼只需几秒钟的行走数据，即可记录肌肉的特征曲线。
研究人员表示，这种外骨骼能够快速适应真实环境。当科学家分别测量穿戴和不穿戴该套装时消耗的代谢能量时，发现套装显著降低了所消耗的代谢能量。
SEAS博士生、论文合著者李善军表示：“直接测量肌肉，使我们能够更直观地与使用外骨骼的人协同工作。采用这种方法，外骨骼不会压制穿戴者，而是与其配合工作。”
该研究是哈佛生物机器人实验室与哈佛生物设计实验室合作的成果，后者由SEAS工程与应用科学教授康纳·J·沃尔什领导。SEAS的研究人员计划进一步推进，测试该系统在实时持续调整情况下的表现。
“人的步态变化取决于个体生理、环境和行走任务。因此，在可穿戴机器人领域，明显需要针对用户和任务进行辅助调整。在这里，我们开发了一种基于肌肉的辅助策略，外骨骼的辅助力来自对人体肌肉在特定任务中动态的直接测量。”研究中写道。
在真实环境测试中，外骨骼能够快速适应步行速度和坡度的变化。
“这种方法有助于可穿戴机器人在真实动态场景中投入应用，提供舒适且适配的辅助”
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该研究所通过开展高风险研究并突破学科和机构壁垒实现技术突破，并作为联盟运作，涵盖哈佛医学院、工程学院、文理学院和设计学院，同时与众多医疗机构及其他大学开展合作。
