Inżynierowie odkryli, że egzoszkielety kostek mogą znacznie zwiększyć prędkość chodzenia

W testach laboratoryjnych naukowcy odkryli, że ulepszony układ egzoszkieletu kostki zwiększył prędkość chodzenia uczestników o około 40 procent w porównaniu z ich normalną prędkością. Pewnego dnia naukowcy mają nadzieję pomóc w przywróceniu szybkości chodzenia u osób starszych. Obejrzyj wideo Tutaj.

Napisane przez Taylor Kubota

Niemożność szybkiego chodzenia może być frustrująca i problematyczna, ale jest to powszechny problem, zwłaszcza gdy ludzie się starzeją. Zauważając, że występowanie powolnego chodzenia jest więcej niż wymagane, inżynierowie z Uniwersytetu Stanforda przetestowali, jak dobrze opracowany przez nich modułowy system egzoszkieletu – który spoczywa wokół nogi i buta do biegania – zwiększa samodzielnie wybraną prędkość chodzenia ludzi biorących udział w eksperymencie. Ustawienia.

Egzoszkielet jest napędzany silnikami i sterowany algorytmem. Kiedy naukowcy poprawili prędkość, uczestnicy chodzili średnio o 42 procent szybciej niż w zwykłych butach i bez egzoszkieletu. Wyniki tego badania zostały opublikowane 20 kwietnia W transakcjach IEEE dotyczących systemów neuronowych i inżynierii rehabilitacji.

„Mieliśmy nadzieję, że uda nam się zwiększyć prędkość chodzenia za pomocą egzoszkieletu, ale byliśmy naprawdę zaskoczeni, widząc tak ogromną poprawę”, Steve Collins, Profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Stanforda i starszy autor artykułu. „Czterdzieści procent to ogromne”.

W tym początkowym zestawie badań uczestnikami byli młodzi i zdrowi dorośli. Biorąc pod uwagę ich imponujące wyniki, naukowcy planują przeprowadzić przyszłe testy ze starszymi osobami dorosłymi i poszukać innych sposobów ulepszenia konstrukcji egzoszkieletu. Mają także nadzieję, że w końcu uda im się stworzyć egzoszkielet, który będzie działał poza laboratorium, chociaż ten cel pozostaje bardzo odległy.

„Moją misją badawczą jest zrozumienie biomechaniki i kontroli kinematycznej stojącej za ruchem człowieka i zastosowanie tego do poprawy sprawności fizycznej człowieka w życiu codziennym” – powiedział Seungmoon Song, pracownik naukowy z tytułem doktora inżynierii mechanicznej i główny autor artykułu. „Myślę, że egzoszkielety są bardzo obiecującymi narzędziami, które mogą osiągnąć tę poprawę fizycznej jakości życia”.

Idź w pętli

Egzoszkielet stawu skokowego testowany w tych badaniach to eksperymentalny symulator, który służy jako symulator testowy do wypróbowywania różnych projektów. Posiada ramę mocowaną do górnej części nogi oraz wbudowany but do biegania, który uczestnik będzie nosił. Są przymocowane do dużych silników, które siedzą obok pomostu i ciągną linę biegnącą wzdłuż tylnej części egzoszkieletu. Kontrolowana przez algorytm lina podnosi piętę noszącego, pomagając mu skierować palce w dół, jednocześnie odpychając go od ziemi.

W tym badaniu, 10 uczestników przeszło pięć różnych ścieżek procesu. Chodzili w zwykłych butach bez egzoszkieletu, z wyłączonym egzoszkieletem i na egzoszkielecie w trzech różnych trybach: zoptymalizowanym pod kątem prędkości, zoptymalizowanym pod kątem zużycia energii i zmodyfikowanym trybie placebo, aby chodzić wolniej. Podczas wszystkich testów uczestnicy chodzili po bieżni dostosowanej do ich prędkości.

Tryb zoptymalizowany pod kątem prędkości – który spowodował 42-procentowy wzrost prędkości chodzenia – został stworzony przez działanie człowieka na ringu. Algorytm wielokrotnie modyfikował ustawienia egzoszkieletu podczas biegu użytkownika, mając na celu poprawę szybkości działania użytkownika po każdej regulacji. Znalezienie trybu pracy ze zoptymalizowaną prędkością wymagało około 150 rund strojenia i 2 godzin na osobę.

Oprócz znacznego zwiększenia prędkości chodzenia, tryb zwiększonej prędkości zmniejszył również zużycie energii o około 2 procent na każdy przejechany metr. Jednak to odkrycie różniło się znacznie w zależności od osoby, czego można się spodziewać, biorąc pod uwagę, że nie było to zamierzoną cechą tego umiejscowienia egzoszkieletu.

„Badanie ma na celu konkretną odpowiedź na naukowe pytanie dotyczące zwiększania szybkości chodzenia” – powiedział Song. „Nie zwracaliśmy dużej uwagi na inne wskaźniki wydajności, takie jak komfort czy energia. Jednak siedmiu na 10 uczestników nie tylko szło szybciej, ale także zużywało mniej energii, co naprawdę pokazuje, jak egzoszkielety mogą skutecznie pomagać ludziom”.

Ustawienia, które są specjalnie zoptymalizowane pod kątem zużycia energii, są zapożyczone z poprzedniego doświadczenia. W obecnym badaniu tryb ten zmniejszył zużycie energii bardziej niż zoptymalizowane ustawienia prędkości, ale nie zwiększył prędkości tak bardzo. Zgodnie z zamierzeniami, umieszczenie placebo spowolniło uczestników i zwiększyło ich zużycie energii.

Lepiej, szybciej, mocniej

Teraz, gdy naukowcy mają tak dużą pomoc w zwiększaniu szybkości, planują skoncentrować przyszłe wersje symulatora egzoszkieletu kostki na ciągłym zmniejszaniu zużycia energii wśród użytkowników, jednocześnie czując się bardziej komfortowo.

Myśląc konkretnie o osobach starszych, Collins i jego laboratorium zastanawiają się, czy przyszłe projekty mogą zmniejszyć ból stawów lub poprawić równowagę. Planują przeprowadzić podobne testy chodu ze starszymi osobami dorosłymi i mają nadzieję, że również przyniosą zachęcające wyniki.

„40-procentowy wzrost prędkości to więcej niż różnica między młodszymi i starszymi dorosłymi” – powiedział Collins. „Dlatego jest możliwe, że takie urządzenia nie tylko przywrócą, ale i poprawią samodzielnie wybraną prędkość chodzenia starszych osób i to jest coś, co z przyjemnością testujemy w następnej kolejności”.

Collins jest również członkiem Stanford BioX. Badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation i National Institutes of Health.