Когда Конор Уолш был аспирантом в Массачусетском технологическом институте, он выполнял роль летчика-испытателя по программе экзоскелета своего профессора. Мощное, жесткое устройство было непросто носить и работать с ним из-за того, как оно должно было взаимодействовать с телом, заставляя тело пользователя соответствовать структуре устройства, а не наоборот.
В конце концов, Уолш переехал в Гарвард и начал собственное исследование экзокостюмов. Но он решил поработать над мягкими, гибкими системами, чтобы помочь передвижению. После пяти лет работы его костюмы помогли пешеходам более эффективно двигаться на 20-25 процентов, согласно его исследованию, опубликованному недавно в Science Robotics .
«Подход, который мы применяем, и множество других групп также начинают использовать, - можете ли вы предоставить небольшую или умеренную помощь, но через очень легкую и не ограничивающую платформу?» - говорит Уолш.
Аппарат основан на тросе, который помогает движению двух разных суставов, лодыжки и бедра. Пользователь носит ремень безопасности вокруг талии, и ремни проходят от него до скобок вокруг каждого голени. Кабель идет от пятки до шкива у теленка, а затем отходит к маленькому двигателю. (На данный момент он сохранил двигатель и источник питания в другом месте, чтобы упростить исследование.)
Гироскопические датчики, установленные на ногах, отправляют данные на микроконтроллер, который интерпретирует шаг ходока и включает двигатель в соответствующее время. Когда мотор наматывается на кабель, он дергает пятку, помогая шагу (так называемое подошвенное сгибание). Поясной пояс служит двум целям; он действует как опора, поэтому теленок не должен выдерживать такое большое давление, но он также оказывает помощь тазобедренному суставу, так как сила от шкива передается вверх через ремни.
Уолш и его соавторы управляли аппаратом на четырех разных уровнях мощности, чтобы увидеть, что было наиболее эффективным.
«Основная цель этого исследования состояла в том, чтобы посмотреть, как мы увеличиваем объем помощи, которую мы оказываем человеку ... какие виды реакции мы видим от этого человека?» - говорит Уолш.
Они обнаружили, что даже при самом высоком уровне помощи (измеряемой силой в процентах от массы тела, достигающей 75%) они не видели плато; эффективность, измеряемая количеством кислорода, использованного участниками во время ходьбы, продолжала расти.
«Его данные свидетельствуют о том, что, когда вы продолжаете пытаться добавить больше помощи, не может быть никаких пределов, никаких границ тому, насколько мы могли бы улучшить пробег человека, если вы это сделаете», - говорит Грег Савицки. Савицки также работает в ассистирующих при ходьбе костюмах в качестве доцента биомедицинской инженерии в Университете Северной Каролины. Его устройства основаны на небольшом, легком жестком экзоскелете - иногда приводимом в действие, иногда приводимым в действие пружиной - который крепится вокруг лодыжки.
«В наших исследованиях мы нашли другой результат, который заключается в том, что доход часто уменьшается», - говорит он. «Вы преуспеваете до определенного уровня помощи, а затем, если вы даете слишком много, эффективность системы человек-машина начинает снижаться». Он подозревает, что некоторая разница связана с многоуставной архитектурой Уолша и с тем, как это включает в себя движение бедра.
Работа Уолша и Савицки была применена в области медицины, помогая жертвам инсульта, пациентам с рассеянным склерозом или другим возрастным травмам и болезням повысить свою мобильность. Уолш сотрудничает с ReWalk Robotics для разработки систем для этих приложений. Но есть еще одно важное приложение, которое помогло Уолшу получить финансирование DARPA: солдаты, которые носят тяжелую экипировку, могут однажды использовать такие костюмы, чтобы помочь им идти дальше, нести больше и испытывать меньше усталости.
Для достижения обеих целей Уолш усовершенствовал текстиль, системы управления и контроллеры, чтобы сделать такие костюмы более реалистичными за пределами лаборатории. «Достижения в этой области достигаются благодаря сотрудничеству с людьми, которые понимают человека, физиологию, биомеханику, и людьми, которые понимают робототехнику и технологический аспект», - говорит он. Это междисциплинарный подход, отличающийся дизайном и эргономикой, а также биомеханикой, разработкой программного обеспечения и робототехникой. Все идут немного по-разному, поэтому система должна быть хотя бы частично настраиваемой. И тогда есть вес.
«Самой большой проблемой является плотность мощности привода», - говорит Савицки, указывая на то, что установка батарей и двигателей на ходунке, а не удаленно на соседней стойке, как это сделал Уолш, может снизить эффективность. Пока технология аккумуляторов и двигателей не улучшится, любое увеличение мощности требует увеличения веса, что является компромиссом, который на данный момент присущ всем таким ходункам. «Существует фундаментальное правило, что если вы хотите быть более мощным, вы должны быть тяжелее, когда речь идет о двигателях».
