Sådan laver man en exosuit, der hjælper med akavede løft

I de sidste par år er mekanisk assisterende exosuits, længe afbildet i værker af populær science fiction og film, endelig begyndt at se kommerciel udbredelse, ifølge Aaron Young, forsker ved Georgia Institute of Technology. De fleste af disse exosuits har et såkaldt passivt design, der hjælper bæreren med ukraftige elementer som fjedre.

Aktive exosuits, der inkorporerer elektronik og drevne motorer, er endnu ikke blevet brugt bredt. De har tendens til at være store og tunge og er afhængige af stive eksoskeletoner til at overføre vægt fra krop til jord. Eksoskeletter tilføjer også en hel del stivhed, sagde Young. At tage de fleste aktive exosuits på er lidt som at blive ét med en gaffeltruck, hvilket begrænser en bærer til at løfte vægte i et lodret plan.

Af alle disse grunde er Youngs Asymmetric Back eXosuit (ABX) beskrevet i 5. oktober-udgaven af ​​IEEE Transactions on Robotics er meget ikke-standardiseret. Der er intet eksoskelet, ingen stiv struktur, intet der kommer i kontakt med gulvet. Hvis bæreren bare står der, gør den intet udover at tilføje 14 pund til deres ben. Men hvis de hæver deres krop fra en lænet stilling, laver det en noget hektisk lyd:det er lyden af ​​ABX, der hjælper dem med at rotere deres torso og hjælper dem med at vride.

Selvom de fleste aktive exosuits understøtter vertikale løft, er roterende og vridende bevægelser også allestedsnærværende, især inden for visse områder af manuelt arbejde som affaldsindsamling og bagagehåndtering. I mange tilfælde kan disse bevægelser være akavede og anstrengende, hvilket fører til arbejdsrelaterede skader såvel som rygsmerter, ifølge Young. Rygsmerter er til gengæld direkte korreleret med styrken af ​​kompressionskræfter og forskydningskræfter, der påføres rygsøjlen.

Ved at designe deres exosuit søgte forskerne en måde at reducere disse belastninger på spinalleddene. At tage den på ligner lidt at tage en futuristisk rygsæk på. To motorer spændes først fast på bagsiden af ​​hver overlår. Disse motorer er derefter forbundet til bagsiden af ​​de modsatte skuldre, hver med deres eget kabel, hvilket giver to kabler, der diagonalt overlapper hinanden. Exosuiten yder hjælp ved at spænde kablerne, når den registrerer, at en bærer rejser sig fra en bøjet stilling.

"Det er bestemt en anden fornemmelse end en slags standard eksoskelet. Det er ikke dit standarddesign," sagde Young.

Fordi de diagonale kabler har en bevægelseskomponent, der er vandret, udøver de et træk på torsoen, som kan hjælpe med at vride den fra side til side. I test viste forskerne, at når en bærer af ABX svingede en vægt fra jorden til den ene side, reducerede exodragten deres rygmuskelaktiveringer med i gennemsnit 16 %, målt ved elektromyografi (EMG) sensorer. Exosuiten gav også en 37 % reduktion i rygmuskelanstrengelse, når en bærer løftede vægte symmetrisk, lige fra jorden - et assistanceniveau, der kan sammenlignes med mere stive designs.

"Folk følte bestemt, at teknologien hjælper dem, hvilket er fantastisk. Og vi så den samtidige EMG-reduktion," sagde Young. "Jeg synes, det er et godt første skridt."

På en måde er det næsten som at spænde to ekstra muskler fast på kroppen - ukonventionelle muskler, som løber direkte fra ryg til ben. Interessant nok er det placeringen af ​​disse muskler snarere end deres rå styrke, der gør dem funktionelle, sagde Young.

Motorerne trækker kablerne med meget mindre kraft end musklerne i kroppen. Kablerne er dog placeret meget længere væk fra samlingerne. Gennem denne positionering opnår kablerne større løftestang og mekaniske fordele, hvilket gør det muligt for bæreren at reducere deres samlede muskeloutput og dermed den belastning, de påfører deres rygsøjle. (Spinalbelastning blev ikke målt direkte i undersøgelsen.)

Bortset fra dens overordnede ydeevne, er det den fleksible, asymmetriske karakter af dragten, der virkelig gør den unik, sagde Young. Der er i øjeblikket ingen andre aktive exosuits, der giver hjælp til at vride og rotere gennem et sammenligneligt bevægelsesområde. Mens andre exosuits også bruger kabler, har ingen arrangeret dem langs diagonale linjer.

Young is currently seeking collaborations with industry partners to further develop the exosuit. In future work, he sees its control system as a point to improve. Currently, when a person raises their torso from a lowered position, the cables simply pull with constant tension. But it should be possible to make the system detect different actions of the wearer and adjust its pull in response.