Kortlægning af en vej til drevne exoskeletter

Eksoskeletter er enheder, der bæres til beskyttelse eller støtte - som en rustning eller en hjelm. Disse og andre passive enheder har eksisteret i årtusinder, men nutidens forskere udvikler drevne eksoskeletsystemer, der, i fremtiden, kunne tage mennesker til nye niveauer af styrke og udholdenhed.

Ved at give yderligere strøm, de kunne forbedre soldaternes udholdenhed på slagmarken eller hjælpe arbejdere med at udføre opgaver lettere og mere sikkert. De kunne også hjælpe tilskadekomne og handicappede med at genvinde deres uafhængighed.

Men for at få næste generations eksoskeletter til at fungere, vi bliver nødt til at genoverveje vores ideer om, hvordan bærbare systemer interagerer med de mennesker, der bruger dem. Det gør lektor Leia Stirling netop i U-M Institut for Industriel Drift og Teknik. Tidligere hos MIT aeronautics afdeling, Stirlings menneskelige faktorer hos U-M kaster nyt lys over, hvordan drevne eksoskeletter ændrer måden, deres bærere tænker og bevæger sig på. Stirlings seneste papir har titlen "Static, Dynamisk, og Cognitive Fit of Exosystems for the Human Operator." Vi sad ned med hende for nylig for at lære mere om hendes arbejde.

Vi har alle set masser af eksoskeletter i film som Iron Man og RoboCop. Er det den slags systemer, du arbejder på?

Ikke ligefrem - jeg tror, ​​at helkropseksoskeletter stadig er langt væk. I mellemtiden, selvom, der er mere begrænsede drevne exoskeletapplikationer, der kan hjælpe mennesker med specifikke bevægelser, som at tilføje støtte og kraft til en ankel eller et knæ. Det er de lavthængende frugter, og vi begynder at se disse systemer kommercielt. Men der er meget arbejde, der skal gøres, før de bliver praktiske til udbredt brug.

Hvorfor er selv enkeltledsdrevne exoskeletter så meget mere komplekse end passive systemer?

Når vi tilføjer kraft til selv et simpelt eksoskelet, vi skal begynde at tænke på det mindre som et stykke tøj og mere som et meget lille køretøj. Når jeg tager et eksoskelet på, Jeg er inde i den, og den bevæger mig aktivt. Så vi er nødt til at tænke på det fra et menneskeligt perspektiv – hvordan kan brugeren køre det køretøj mest effektivt og sikkert?

Det er en afvigelse fra fortiden, hvor eksoskeletforskere mest fokuserede på enhedernes mekanik. Og det betyder, at menneskelige faktorforskere som mig skal arbejde sammen med maskiningeniører for at få disse maskiner til det næste niveau.

Hvordan ved du, at drevne systemer påvirker bæreren anderledes end de seler og andre enheder, vi har haft i årevis?

Alle systemer kan påvirke den måde, vi bevæger os på, og drevne systemer er ingen undtagelse. For eksempel, ikke længe siden, vi lavede en undersøgelse, hvor deltagerne bar et simpelt drevet eksoskelet – et, der gav ekstra kraft til anklen, da de skubbede deres fod fra jorden, mens de gik. Vi tændte den, og vi fandt ud af, at forskellige deltagere brugte det boost meget forskelligt, efterhånden som de tilpassede sig systemet. Nogle tog længere skridt, nogle tog kortere skridt, nogle forblev de samme. Nogle gik tilbage til deres normale gangmønstre, efter at vi slukkede for strømmen, nogle gjorde ikke.

Undersøgelsen viste, at selv en lille ændring ændrer feedback-sløjfen, der gør os i stand til at navigere i vores miljø. Disse ændringer kan ske både bevidst og ubevidst. Vi er nødt til at forstå, hvordan disse drevne systemer påvirker vores opfattelse, erkendelse, og motorisk proces, og hvordan vi kan designe exoskeletterne, så de passer til individuelle brugere.

Hvordan måler du, om et drevet eksoskelet "passer" til dets bærer?

Vi har faktisk genovervejet ideen om "pasning" i et nyligt papir, vi udgav. Vi har opdelt det i tre separate aspekter.

Den første er "statisk pasform" - det er det, vi er vant til, hvor godt passer denne enhed til størrelsen og formen på min krop, når jeg ikke bevæger mig.

Den anden dimension er "dynamisk pasform, "dvs. hvor godt enheden bevæger sig med mig. Begrænser den min bevægelse, og passer den korrekt under hele den bevægelsesrække, jeg skal udføre til et sæt opgaver?

Den tredje dimension, og den, vi er mindst vant til, er "kognitiv fit". Denne dimension måler, hvordan en enhed, som jeg har på, ændrer den måde, jeg tænker om bevægelse på, både bevidst og ubevidst. Hvordan fortolker jeg den feedback, jeg får fra enheden? Og hvordan kan skaberne af en enhed tilpasse dens feedback til forskellige brugeres kognitive processer?

Drevet exoskelet-enheder giver i sagens natur taktil feedback på grund af den måde, de påfører kroppen kræfter under bevægelse. Men vi ser også på, hvordan vi kan designe i eksplicit feedback for at hjælpe brugerne med at opbygge tillid til enhederne og gøre dem nemmere at bruge effektivt.

Hvis vi nu skal overveje disse nye faktorer, betyder det, at vi taber terræn på vejen mod nye former for eksoskeletsystemer?

Tværtimod, at identificere disse yderligere dimensioner er alle en del af processen med at bygge nye slags maskiner. Eksoskeletter er virkelig tværfaglige systemer, så at designe dem kræver et unikt sæt færdigheder. Denne forskning giver en ramme for at få det til at ske.

Faktisk, en af ​​grundene til, at jeg kom til Michigan, var, at der var alle disse mennesker, der tænkte på eksoskeletter fra alle disse forskellige perspektiver. Jeg er virkelig begejstret for at være et sted, hvor der er alle disse mennesker, der ser på det fra forskellige vinkler, som kan arbejde sammen.