Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Elektronik

Alsidig, bærbar exosuit hjælper med både gang og løb

Holdets bærbare exosuit er lavet af tekstilkomponenter båret i taljen og lårene, og et mobilt aktiveringssystem fastgjort til lænden, som bruger en algoritme, der robust forudsiger overgange mellem gang og løb. Kredit:Wyss Institute ved Harvard University

Mellem at gå i roligt tempo og løbe for livet, menneskelige gangarter kan dække en lang række hastigheder. Typisk, vi vælger den gangart, der giver os mulighed for at forbruge den mindste mængde energi ved en given hastighed. For eksempel, ved lave hastigheder, metabolismehastigheden ved at gå er lavere end ved at løbe i en langsom jog; omvendt ved høje hastigheder, metaboliske hastigheder ved løb er lavere end ved hurtiggang.

Forskere i akademiske og industrilaboratorier har tidligere udviklet robotudstyr til rehabilitering og andre områder af livet, der enten kan hjælpe med at gå eller løbe, men ingen ubundet bærbar enhed kunne effektivt gøre begge dele. At hjælpe med at gå og løbe med en enkelt enhed er udfordrende på grund af den fundamentalt forskellige biomekanik af de to gangarter. Imidlertid, begge gangarter har til fælles en forlængelse af hofteleddet, som starter omkring det tidspunkt, hvor foden kommer i kontakt med jorden og kræver betydelig energi for at drive kroppen fremad.

Som rapporteret i dag i Videnskab , et team af forskere ved Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og University of Nebraska Omaha har nu udviklet en bærbar exosuit, der hjælper med gangspecifik hofteforlængelse under både gang og løb. Deres lette exosuit er lavet af tekstilkomponenter båret i taljen og lårene, og et mobilt aktiveringssystem fastgjort til lænden, som styres af en algoritme, der robust kan registrere overgangen fra gang til løb og omvendt.

Holdet viste først, at exodragten båret af brugere i løbebåndsbaserede indendørs tests, gennemsnitlig, reducerede deres metaboliske hastigheder ved at gå med 9,3 % og løbe med 4 % sammenlignet med, når de gik og løb uden enheden. "Vi var glade for at se, at enheden også fungerede godt under op ad bakke, ved forskellige kørehastigheder og under overjordiske test udenfor, som viste systemets alsidighed, " sagde Conor Walsh, Ph.D., der ledede undersøgelsen. Walsh er et kernefakultet medlem af Wyss Institute, Gordon McKay professor i ingeniørvidenskab og anvendt videnskab ved SEAS, og grundlægger af Harvard Biodesign Lab. "Mens de metaboliske reduktioner, vi fandt, er beskedne, vores undersøgelse viser, at det er muligt at få en bærbar, bærbar robot til at assistere mere end blot en enkelt aktivitet, hjælper med at bane vejen for, at disse systemer bliver allestedsnærværende i vores liv, " sagde Walsh.

Denne video demonstrerer brugen af ​​den hofte-assisterende exosuit i forskellige naturlige miljøer, og viser, hvordan robotanordningen registrerer ændringer i de gangspecifikke lodrette bevægelser af massecentret under gang og løb for hurtigt at justere dets aktivering. Kredit:Wyss Institute ved Harvard University

Hoftedragten blev udviklet som en del af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)'s tidligere Warrior Web-program og er kulminationen på mange års forskning og optimering af den bløde exosuit-teknologi fra holdet. En tidligere multi-leddet exosuit udviklet af teamet kunne hjælpe både hofte og ankel under gang, og en medicinsk version af exosuitet, der sigter mod at forbedre gangrehabilitering for slagtilfældeoverlevere, er nu kommercielt tilgængelig i USA og Europa, via et samarbejde med ReWalk Robotics.

Holdets seneste hofte-assisterende exosuit er designet til at være enklere og lettere i forhold til deres tidligere multi-joint exosuit. Det hjælper bæreren via et kabelaktiveringssystem. Aktiveringskablerne påfører en trækkraft mellem taljebæltet og lårbindene for at generere et eksternt forlængelsesmoment ved hofteleddet, der arbejder sammen med glutealmusklerne. Enheden vejer i alt 5 kg med mere end 90 % af dens vægt placeret tæt på kroppens massecenter. "Denne tilgang til at koncentrere vægten, kombineret med den fleksible beklædningsgrænseflade minimerer den energimæssige byrde og bevægelsesbegrænsning for bæreren, " sagde co-first-forfatter Jinsoo Kim, en SEAS-kandidatstuderende i Walshs gruppe. "Dette er vigtigt for at gå, men endnu mere for at løbe, da lemmerne bevæger sig meget hurtigere frem og tilbage." Kim delte førsteforfatterskabet med Giuk Lee, Ph.D., en tidligere postdoc-stipendiat på Walshs hold og nu adjunkt ved Chung-Ang University i Seoul, Sydkorea.

Den lette, alsidige exosuit hjælper med at forlænge hoften under op ad bakke, og ved forskellige løbehastigheder i naturligt terræn. Kredit:Wyss Institute ved Harvard University

En stor udfordring, holdet skulle løse, var, at exosuiten skulle være i stand til at skelne mellem gang- og løbegangarter og ændre dens aktiveringsprofiler i overensstemmelse hermed med den rigtige mængde assistance ydet på det rigtige tidspunkt af gangcyklussen.

For at forklare de forskellige kinetikker under gangcyklusserne, biomekanikere sammenligner ofte gang med bevægelserne af et omvendt pendul og løb med bevægelserne af et fjedermassesystem. Under gang, kroppens massecenter bevæger sig opad efter hæl-angreb, når derefter maksimal højde i midten af ​​standfasen for at falde mod slutningen af ​​standfasen. I løb, massecentrets bevægelse er modsat. Den falder ned mod en minimumshøjde i midten af ​​standfasen og bevæger sig derefter opad mod push-off.

"Vi udnyttede disse biomekaniske indsigter til at udvikle vores biologisk inspirerede gangklassifikationsalgoritme, der robust og pålideligt kan detektere en overgang fra den ene gang til den anden ved at overvåge accelerationen af ​​et individs massecenter med sensorer, der er fastgjort til kroppen, " sagde co-korresponderende forfatter Philippe Malcolm, Ph.D., Adjunkt ved University of Nebraska Omaha. "Når en gangovergang er opdaget, exosuiten justerer automatisk timingen af ​​dens aktiveringsprofil for at hjælpe den anden gang, som vi demonstrerede ved dets evne til at reducere metabolisk iltforbrug hos bærere."

I det løbende arbejde, teamet er fokuseret på at optimere alle aspekter af teknologien, herunder yderligere vægttab, individualisering af assistance og forbedring af brugervenlighed. "Det er meget tilfredsstillende at se, hvor langt vores tilgang er nået, " sagde Walsh, "og vi er glade for at fortsætte med at anvende det til en række applikationer, herunder at hjælpe dem med gangbesvær, industriarbejdere med risiko for at komme til skade, der udfører fysisk anstrengende opgaver, eller rekreative weekendkrigere."

"Denne banebrydende undersøgelse, der kommer fra Wyss Institutes Bioinspired Soft Robotics-platform, giver os et indblik i en fremtid, hvor bærbare robotenheder kan forbedre livet for de raske, samt betjene personer med skader eller behov for genoptræning, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved HMS, Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved SEAS.


Varme artikler