Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS, США) разработали новый роботизированный экзокостюм, который может подстраиваться под конкретного человека и адаптироваться к различным задачам ходьбы. Система bioinspired использует ультразвуковые измерения динамики мышц,, сообщает EurekAlert!. Описание разработки появилось в журнале Science Robotics.
Люди редко ходят с постоянной скоростью и по идеально ровной поверхности. Мы ускоряемся, когда спешим на очередную встречу, когда реагируем на сигнал пешеходного переходу. Или замедляемся, когда отправляемся на прогулку по парку. Поверхность и ее угол наклона тоже постоянно меняются, идем ли мы в поход или поднимаемся по пандусу в здание. Помимо этого, на то, как мы ходим, влияют наши физиологические особенности: пол, рост, возраст и сила мышц, а иногда и неврологические или мышечные расстройства, такие как инсульт или болезнь Паркинсона.
Из-за такой вариативности сложно разработать универсальный экзокостюм – по сути, носимого робота, – который поможет людям ходить в обычной жизни. Современных роботов-помощников для ходьбы человека нужно несколько часов настраивать – и иногда вручную. Это утомительная задача для здоровых людей и часто невозможная для пожилых людей или клинических пациентов.
Раньше при разработке индивидуальных профилей помощи для роботизированных экзокостюмов ученые делали акцент на динамические движения конечностей пользователя. Исследователи SEAS применили другой подход. Они использовали ультразвук, чтобы «заглянуть» под кожу, и напрямую измерили, как действуют мышцы пользователя во время разного типа ходьбы.
Ученые прикрепили портативную ультразвуковую систему к икрам участников исследования и визуализировали их мышцы, когда те выполняли ряд задач по ходьбе. На основе этих предварительно записанных изображений группа оценила, сколько вспомогательной силы нужно приложить параллельно с работой икроножными мышцами, чтобы компенсировать дополнительную работу мышц, когда человеку нужно оттолкнуться ногой при шаге.
Новой системе потребовалось всего несколько секунд ходьбы – или даже всего один шаг, – чтобы зафиксировать профиль мышц. Затем для каждого профиля, сгенерированного ультразвуком, исследователи измерили, сколько метаболической энергии человек использовал во время ходьбы с экзокостюмом и без него. Оказалось, что экзокостюм значительно снижает метаболическую энергию при ходьбе с разными скоростями и на разных поверхностях.
При испытаниях в реальных условиях экзокостюм смог быстро адаптироваться к изменениям скорости ходьбы и наклона поверхности.
«Измеряя мышцы напрямую, мы можем более интуитивно работать с человеком, использующим экзокостюм, – сказал Санджун Ли, аспирант SEAS и соавтор исследования. – При таком подходе экзокостюм не подавляет владельца, он работает вместе с ним».
[Фото: HARVARD JOHN A. PAULSON SCHOOL OF ENGINEERING AND APPLIED SCIENCES]
