Bevægelsesfremmende eksoskeletter kan hæmme beslutningstagningen

Mens ingeniører gør fremskridt i designet af bærbare, elektronisk aktiv, og responsive benbøjler, armstøtter, og helkropsdragter, kollektivt kendt som exoskeletons, forskere ved MIT rejser et vigtigt spørgsmål:Selvom disse Iron Man-lignende vedhæng kan forstærke en persons styrke, mobilitet, og udholdenhed, hvilken effekt kan de have på opmærksomhed og beslutningstagning?

Spørgsmålet er langt fra trivielt, da eksoskeletter i øjeblikket bliver designet og testet til brug på slagmarken, hvor amerikanske soldater forventes at udføre fokuserede taktiske manøvrer, mens de typisk bærer 60 til 100 pund udstyr. Eksoskeletter såsom elektronisk adaptiv hofte, knæ, og benbøjler kunne bære en betydelig del af en soldats byrde, frigør dem til at bevæge sig hurtigere og med mere smidighed.

Men kunne bære sådanne bioniske tilføjelser, og tilpasse sig deres bevægelser, fjerne noget af den opmærksomhed, der er nødvendig for kognitive opgaver, såsom at se en fjende, videresende en besked, eller følge en eskadron?

Svaret, MIT-holdet fandt, er ja, i hvert fald i nogle scenarier. I en undersøgelse, som de præsenterer i denne uge på Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting i Philadelphia, forskerne testede frivillige, som enten var aktive medlemmer af militæret eller deltagere i en Reserve Officer Training Corps (ROTC) enhed, da de marcherede gennem en forhindringsbane, mens de var iført et kommercielt tilgængeligt knæeksoskelet og med en rygsæk, der vejede op til 80 pund. Syv af de 12 forsøgspersoner havde langsommere reaktionstider i en visuel opgave, da de gennemførte forløbet med eksoskeletet tændt og tændt, i forhold til da de blev færdige med det uden eksoskelettet.

Forskerne fandt også ud af, at soldaterne, når de bliver bedt om at følge en leder på en vis afstand, var mindre i stand til at holde en konstant afstand, mens de havde exoskelet på.

Resultaterne, selvom det er foreløbigt, foreslår, at ingeniører, der designer eksoskeletoner til militære og andre formål, måske vil overveje en enheds "kognitive pasform" - hvor meget af en brugers opmærksomhed eller beslutningstagning, enheden potentielt kan aflede, selv mens de hjælper dem fysisk.

"I et militært eksoskelet, soldater formodes at scanne efter fjender i miljøet, sikre sig, hvor andre personer i deres hold er, overvågning af en lang række ting, " siger Leia Stirling, en adjunkt i MIT's Institut for Luftfart og Astronautik og medlem af Institut for Medicinsk Teknik og Videnskab. "Du vil ikke have, at de skal fokusere på, hvordan de træder på grund af eksoskeletet. Derfor var jeg interesseret i, hvor meget opmærksomhed disse teknologier kræver."

Stirlings medforfattere på papiret omfatter forskere ved MIT, Draper, og University of Massachusetts i Lowell.

Følg lederen

For at undersøge eksoskeletons effekt på en brugers opmærksomhed, holdet oprettede en forhindringsbane ved UMass Lowell's NERVE Center, et anlæg, der normalt tester og evaluerer robotter over forskellige fysiske forløb. Stirling og hendes kolleger ændrede en eksisterende forhindringsbane til at inkludere tværskråninger og korte vægge at træde over. Lys i begge ender af forhindringsbanen blev sat op til periodisk at blinke til og fra.

Holdet rekrutterede 12 mandlige forsøgspersoner og trænede dem over en periode på tre dage. I løbet af den første dag, de var hver især tilpasset med, og trænet til at bruge, et kommercielt tilgængeligt knæeksoskelet - et stift, drevet knæbøjle designet til at hjælpe med at forlænge en brugers ben og øge udholdenheden, mens for eksempel, i at klatre over forhindringer og gå over lange afstande.

I løbet af de følgende to dage, forsøgspersonerne blev instrueret i at navigere på forhindringsbanen, mens de fulgte en forsker, udgiver sig som eskadrillemedlem. Da de kom igennem kurset, forsøgspersonerne udførte flere kognitive opgaver. Den første var en visuel opgave, hvor forsøgspersonerne skulle trykke på en knap på en falsk riffel, så snart de opfattede et lys tænde. Den anden var et par lydopgaver, hvor forsøgspersonerne skulle svare på et radioopkaldstjek med et simpelt "Roger, over, "samt en mere kompliceret opgave, hvor de skulle lytte til tre ledere, der rapporterede forskelligt antal fjender og derefter rapportere det samlede antal over radioen. Den tredje var en opfølgningsopgave, hvor forsøgspersonerne skulle holde en vis afstand til eskadrillelederen, mens de navigerede på banen.

Samlet set, Stirling fandt ud af, at til den visuelle opgave, syv af de 12 forsøgspersoner, der bar det drevne eksoskelet, reagerede betydeligt langsommere og havde en tendens til helt at gå glip af lyssignaler, sammenlignet med deres ydeevne, når de ikke bærer enheden. Mens du bærer den elektriske knæbøjle, forsøgspersonerne havde også sværere ved at holde den angivne afstand, når de fulgte lederen.

Væskedragter

Fremadrettet, Stirling har planer om at undersøge vigtigheden af ​​reaktionstider, mens hun bærer et eksoskelet i forskellige sammenhænge.

"For en militærsoldat, hvis de ikke opdager en fjende over et halvt sekund, hvad betyder det? Sætter det deres liv i fare, eller er det OK?" siger Stirling. "Vi er nødt til bedre at forstå, hvad disse operationelt relevante forskelle er. En reaktionstid på et halvt sekund for mig at gå ned ad et fortov er nok ikke en big deal. Men det kan være en stor sag i et militært miljø."

Interessant nok, holdet identificerede nogle få brugere, som var uoprørte over tilføjelsen af ​​et eksoskelet, og som klarede sig lige så godt i det visuelle, lyd, og opfølgende opgaver.

"I dette studie, vi ser, at nogle mennesker ikke har noget underskud i deres opmærksomhed. Men nogle mennesker gør, og vi er ikke sikre på, hvorfor nogle mennesker er gode eksoskeletbrugere, og nogle har det sværere, " siger Stirling. "Nu begynder vi at undersøge, hvad der gør folk til gode brugere kontra mindre dygtige brugere. Er dette kørt fra en motorvej, eller en perceptionsvej, eller en kognitiv vej?"

Stirlings gruppe arbejder hen imod en bedre forståelse af, hvordan mennesker tilpasser sig og reagerer på eksoskeletoner og andre bærbare teknologier, såsom næste generations rumdragter.

"Vi ser på det flydende mellem, hvad systemet gør, og hvad mennesket gør, " siger Stirling. "Hvis mennesket ønsker at sætte farten op eller ned, kan dette system designes til at bevæge sig passende, så mennesket ikke kæmper mod systemet, og omvendt?"

Ud over militær- og rumapplikationer, Stirling siger, at hvis forbindelsen mellem mennesket og maskinen kan gøres mere flydende, kræver mindre af en brugers øjeblikkelige opmærksomhed, så kan eksoskeletter finde en meget bredere, kommerciel appel.

"Måske vil du være i stand til at bestige det bjerg, eller tage på en længere vandretur, eller du er måske ældre og vil rende rundt med dine børnebørn, " siger Stirling.

"Hvordan kan du designe eksoskeletter, så folk kan reducere deres egen skadesrisiko og udvide deres kapacitet, deres daglige aktiviteter? Disse systemer er virkelig spændende. Vi vil bare være klar over de forskellige risici, der opstår, når man bringer noget ind i et naturligt miljø."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.