Ny letvægts, bærbar robotdragt for at øge løbe- og gåydelsen

Selvom gåning måske ikke virker som en byrde for de fleste mennesker, for andre, denne simple opgave kan ofte føles udmattende. For patienter, der kommer sig efter operation eller slagtilfælde, dem med Parkinsons sygdom, personer med nedsat mobilitet, og selv for soldater eller brandmænd, der bærer tunge byrder over vanskeligt terræn, at gå eller løbe kan være en kamp.

Mange forskere har overvejet dette problem gennem årene, udvikle en række eksterne enheder, der, en gang båret af brugere, tillade dem at bevæge sig, gå, og køre meget lettere end de normalt ville. En række af disse "robotiske exoskeletons" eller robotdragter er blevet udviklet gennem årene, med det formål at reducere brugernes energiforbrug (eller stofskifte), når de går og løber. Indtil nu, imidlertid, som prof Giuk Lee fra Chung-Ang University siger, "Robotiske eksoskeletter har en tendens til at være voluminøse og tunge; og mens gå-eksperimenter har vist lovende resultater, den energi, der bruges på at køre med den ekstra vægt af enheden, opvejer fordelene ved robotassistance."

Problemet, som prof Lee og kolleger forklarer i deres papir offentliggjort i Videnskab , ligger i det faktum, at "Gå og løb har fundamentalt forskellig biomekanik, hvilket gør det udfordrende at udvikle enheder, der hjælper begge gangarter." Takter denne udfordring, forskerne fremviser deres nyudviklede exosuit, for det meste lavet af en stofvest, bælte, og lårbind, ligesom tøj, vi har på i hverdagen. Disse komponenter er forbundet med ledninger, og udstyret med batterier og en motorlignende enhed (en aktuator). Enheden vejer kun 5 kg, bekvemt monteret omkring taljen for at hjælpe hofteekstensionsmusklerne og tillade et større bevægelsesområde. Hvad mere er, denne exosuit kan automatisk skifte bistandstilstand mellem gang- og løbegange for at opnå maksimal bistandseffektivitet.

Forskerne testede deres prototype på løbebånd og på udendørs baner med forskellige terræner for at undersøge de energibesparelser, som exodragterne opnåede under forskellige forhold. De brugte en algoritme til at klassificere gang (gang eller løb), som gav feedback til enheden og justerede assistancetilstanden i overensstemmelse hermed. Dette gjorde det muligt for exosuiten at matche bevægelsen initieret af aktuatoren til den gang, der blev identificeret af algoritmen, og derfor for at maksimere energibesparelser. Indendørs og udendørs test afslørede, at algoritmen var i stand til korrekt at identificere gang- og løbegange mere end 99,98 % af tiden.

Når de havde bekræftet algoritmens nøjagtighed, forskerne så på de metaboliske besparelser, der opnås ved hjælp af exodragtens hjælpefunktioner. De fandt ud af, at exosuit assistance reducerede energiomkostningerne ved at gå med en hastighed på 1,5 meter i sekundet (4,8 km i timen) med 9,3 %, svarende til, at brugeren smider 7,4 kg. De havde også succes med at sikre energibesparelser under løbende opgaver (hastighed på 2,5 meter i sekundet eller 9 km i timen), hvor hjælpefunktionen reducerede stofskiftet med 4 %, svarende til et vægttab på 5,7 kg. Sådanne energibesparelser kan virke ubetydelige, men ifølge prof Lee og kolleger, "Selvom ændringerne i stofskiftet er relativt beskedne, de er af samme størrelsesorden som dem, der har vist sig at være tilstrækkelige til at forbedre maksimal gå- og løbeevne. Derfor, vi tror, ​​at disse energibesparelser kan resultere i proportionale stigninger i maksimal ydeevne, for eksempel, over en langrendsbane."

Endelig, i modsætning til tidligere exosuits, som var stærkt afhængig af knæets funktion, denne nye enhed bruger hofteforlængelse til at drive benbevægelsen, gør exodragterne særligt relevante for amputerede over knæet og andre mennesker, der mangler fuldstændig knæfunktion. Ved at udnytte kraften i hofteforlængelsen, brugere af denne robotdragt vil kunne opnå højere atletisk præstation i forskellige terræn, problemfrit skift mellem løb og gang efter behov.

For at konkludere, Prof Lee siger, "Vi forventer, at denne 'bærbare robot' vil have mange anvendelsesmuligheder, såsom hjælp til rehabiliteringstræning for ældre patienter og forbedring af arbejdseffektiviteten for soldater eller brandmænd. På lang sigt, vi forestiller os denne exosuit som hængende i et skab hele tiden, ligesom det tøj, vi har på hver dag."