В экспериментах с 11 трудоспособными людьми так называемый алгоритм «человек в петле» занял около часа для оптимизации экзоскелета, а затем сократил количество энергии, необходимое участникам для прогулки, в среднем на 24 процента, сказал член исследовательской группы Рэйчел Джексон, научный сотрудник факультета машиностроения Университета Карнеги-Меллона (CMU).
«Размер сокращения был довольно поразительным», - сказал Джексон в интервью Live Science.
Джексон и ее коллеги во главе со Стивеном Коллинзом, доцентом кафедры машиностроения в КМУ, и Хуанжуаном Чжаном, ранее работавшим в КМУ, а ныне профессором в Нанкайском университете в Китае, опубликовали результаты своего исследования в Интернете сегодня (22 июня) в журнале Наука.
Облегченная нагрузка, безусловно, привлекательна, но индивидуальный экзоскелет может также увеличить расстояние, которое может пройти трудоспособный человек, и это может даже помочь людям бежать быстрее, сказал Джексон.
Джексон сказал, что люди с физическими недостатками, например, перенесшие инсульт, неврологическую травму или ампутацию, также могут получить пользу. По ее словам, индивидуальный экзоскелет может сделать ходьбу такой же легкой или легкой, как до ампутации или травмы.
Ранее наибольшее среднее снижение энергии, достигнутое другими исследовательскими группами, составляло 14,5 процента при использовании вручную отрегулированных экзоскелетов лодыжки на обеих ногах и 22,8 процента при использовании экзокостюма, который воздействовал на оба бедра и обе лодыжки с использованием предварительно запрограммированных настроек.
Но алгоритм «человек в цикле» CMU работал лучше и не полагался на предварительное программирование.
«Этот алгоритм был настолько хорош, что смог найти стратегию помощи для снижения затрат на электроэнергию с помощью всего одного устройства», - сказал Джексон. «Это было довольно круто».
По словам Джексона, проблема экзоскелетов в том, что, хотя они и призваны помочь человеку, они могут препятствовать движению. Для начала, каждое устройство имеет собственный вес, от нескольких унций до пары фунтов, и пользователь должен нести этот вес. По словам Джексона, экзоскелеты также предназначены для приложения силы к определенным частям тела, но если время действия силы не установлено, человеку может потребоваться больше энергии для движения. И это контрпродуктивно.
Во время фазы оптимизации недавнего исследования каждый участник носил экзоскелет на лодыжке, а также маску, предназначенную для измерения уровня кислорода и углекислого газа (CO2). Эти меры относятся к тому, сколько энергии человек тратит. Когда каждый человек шел по беговой дорожке в устойчивом темпе, экзоскелет применял набор различных схем помощи для лодыжек и пальцев ног.
Эти образцы были комбинацией того, когда сила была применена и количество силы. Например, силы могут быть применены в начале стойки (когда пятка впервые падает на землю), в середине стойки (когда ступня плоская) или в конце стойки (когда ступня поднята к носку). Во время этих изменений в положениях можно применять большее или меньшее усилие.
Алгоритм проверял ответы участников на 32 различных образца, которые менялись каждые 2 минуты. Затем он измерял, облегчало ли это или затрудняло ли это движение человека.
К концу сеанса, который длился чуть больше часа, алгоритм создал уникальный шаблон помощи, оптимизированный для каждого человека.
«С точки зрения общей формы шаблонов, была большая изменчивость, что говорит о важности индивидуальной настройки этих стратегий для каждого человека, а не применения одной и той же вещи для всех», - сказал Джексон.
Она добавила, что устройство могло хорошо работать не только потому, что оно «обучалось», но и потому, что, поскольку оно изменило схему помощи, человек, использующий его, также учился.
«Мы считаем, что это заставляет людей искать разные способы координации своей походки, чтобы лучше взаимодействовать с устройством», - сказал Джексон. Это помогает человеку понять, как лучше всего использовать устройство и извлечь из него наибольшую пользу. «Это улица с двусторонним движением», - сказала она.
Другие члены команды планируют проверить, как можно расширить алгоритм, чтобы создать экзоскелет с шестью суставами, предназначенный для ношения на всей нижней половине тела.
