W eksperymentach z 11 sprawnymi fizycznie osobami tak zwany algorytm „człowiek w pętli” zoptymalizował egzoszkielet około godziny, a następnie zmniejszył średnią ilość energii potrzebną do przejścia średnio o 24 procent, powiedział członek zespołu badawczego Rachel Jackson, doktorant na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Carnegie Mellon University (CMU).
„Wielkość redukcji była dość zdumiewająca” - powiedział Jackson Live Live.
Jackson i jej koledzy, kierowani przez Stevena Collinsa, profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej CMU, i Juanajuana Zhanga, wcześniej CMU, a obecnie profesora Nankai University w Chinach, opublikowali wyniki swoich badań online dzisiaj (22 czerwca) w czasopiśmie Nauka.
Lżejszy ładunek jest z pewnością atrakcyjny, ale spersonalizowany egzoszkielet może również zwiększyć odległość, na którą może chodzić osoba sprawna fizycznie, a nawet może pomóc osobom biegać szybciej, powiedział Jackson.
Ludzie z upośledzeniem fizycznym, na przykład po udarze, urazie neurologicznym lub amputacji, również mogą zauważyć korzyści, powiedział Jackson. „Spersonalizowany egzoszkielet może sprawić, że chodzenie będzie łatwiejsze lub łatwiejsze niż przed amputacją lub urazem”, powiedziała.
Wcześniej największe średnie zmniejszenie zużycia energii osiągnięte przez inne zespoły badawcze wynosiło 14,5 procent, przy użyciu ręcznie dopasowanych egzoszkieletów kostek noszonych na obu nogach i 22,8 procent, przy użyciu egzoszkieletu, który działał na obie biodra i obie kostki przy użyciu wstępnie zaprogramowanych ustawień.
Ale algorytm CMU działający w pętli działał lepiej i nie polegał na wstępnym programowaniu.
„Ten algorytm był tak dobry, że był w stanie odkryć strategię pomocy w celu zmniejszenia kosztów energii za pomocą tylko jednego urządzenia” - powiedział Jackson. „To było całkiem fajne”.
Wyzwanie związane z egzoszkieletami polega na tym, że chociaż mają one pomagać osobie, mogą utrudniać ruch, powiedział Jackson. Na początek każde urządzenie ma swoją własną wagę, od kilku uncji do kilku funtów, a użytkownik musi dźwigać tę wagę. Egzoszkielety są również zaprojektowane tak, aby przykładać siłę do niektórych części ciała, ale jeśli czas siły jest wyłączony, osoba może potrzebować więcej energii do poruszania się, powiedział Jackson. I to przynosi efekt przeciwny do zamierzonego.
Podczas fazy optymalizacji ostatniego badania każdy uczestnik nosił egzoszkielet kostki, a także maskę zaprojektowaną do pomiaru poziomu tlenu i dwutlenku węgla (CO2). Środki te odnoszą się do tego, ile energii osoba zużywa. Gdy każda osoba chodziła po bieżni w stałym tempie, egzoszkielet zastosował zestaw różnych wzorów pomocy w kostkach i palcach stóp.
Wzory te były kombinacją momentu przyłożenia siły i jej siły. Na przykład siły można przykładać wcześnie w postawie (gdy pięta po raz pierwszy uderza o ziemię), w środku postawy (gdy stopa jest płaska) lub w późnej postawie (gdy stopa zwinie się do palca). Podczas tych zmian pozycji można zastosować większą lub mniejszą siłę.
Algorytm testował odpowiedzi uczestników na 32 różne wzorce, które zmieniały się co 2 minuty. Następnie zmierzył, czy wzór utrudnia lub utrudnia chodzenie.
Pod koniec sesji, która trwała tylko ponad godzinę, algorytm wygenerował unikalny wzór pomocy zoptymalizowany dla każdej osoby.
„Jeśli chodzi o ogólny kształt wzorów, istniała duża zmienność, co świadczy o znaczeniu dostosowania tych strategii do każdej osoby, a nie stosowania tego samego do wszystkich” - powiedział Jackson.
Dodała, że urządzenie mogło działać dobrze nie tylko dlatego, że „uczyło się”, ale także dlatego, że zmieniając schemat pomocy, osoba korzystająca z niego również się uczyła.
„Uważamy, że zmusza to ludzi do odkrywania różnych sposobów koordynowania chodu w celu lepszej interakcji z urządzeniem” - powiedział Jackson. Pomaga to osobie, jak najlepiej korzystać z urządzenia i czerpać z niego największe korzyści. „To ulica dwukierunkowa” - powiedziała.
Inni członkowie zespołu planują przetestować, w jaki sposób można zwiększyć skalę algorytmu, aby stworzyć egzoszkielet z sześcioma stawami, przeznaczony do noszenia na całej dolnej części ciała.
