Behöver du ett ögonblick av lättsinne? Prova att titta på videor av astronauter som faller på månen. NASA:s uttag av Apollo-astronauter som snubblar och snubblar när de studsar i slow motion är förtjusande relaterbara.

För MIT-ingenjörer framhäver månbloopers också en möjlighet att förnya sig.

"Astronauter är fysiskt mycket kapabla, men de kan kämpa på månen, där gravitationen är en sjättedel av jordens men deras tröghet är fortfarande densamma. Att bära en rymddräkt är dessutom en betydande börda och kan begränsa deras rörelser", säger Harry Asada, professor i maskinteknik vid MIT. "Vi vill tillhandahålla ett säkert sätt för astronauter att komma på fötter igen om de faller."

Asada och hans kollegor designar ett par bärbara robotlemmar som fysiskt kan stödja en astronaut och lyfta dem på fötter igen efter ett fall. Systemet, som forskarna har kallat Supernumerary Robotic Limbs eller "SuperLimbs" är utformat för att sträcka sig från en ryggsäck, som också skulle bära astronautens livstödssystem, tillsammans med styrenheten och motorerna för att driva lemmarna.

Forskarna har byggt en fysisk prototyp, såväl som ett kontrollsystem för att styra lemmarna, baserat på feedback från astronauten som använder den. Teamet testade en preliminär version på friska försökspersoner som också anmälde sig frivilligt att bära ett sammandragande plagg som liknar en astronauts rymddräkt. När volontärerna försökte resa sig från sittande eller liggande, gjorde de det med mindre ansträngning när de fick hjälp av SuperLimbs, jämfört med när de var tvungna att återhämta sig på egen hand.

MIT-teamet föreställer sig att SuperLimbs kan fysiskt hjälpa astronauter efter ett fall och, i processen, hjälpa dem att spara sin energi för andra viktiga uppgifter. Designen kan visa sig vara särskilt användbar under de kommande åren, med lanseringen av NASA:s Artemis-uppdrag, som planerar att skicka astronauter tillbaka till månen för första gången på mer än 50 år.

Till skillnad från Apollos till stor del utforskande uppdrag kommer Artemis-astronauter att sträva efter att bygga den första permanenta månbasen – en fysiskt krävande uppgift som kommer att kräva flera utökade extravehikulära aktiviteter (EVA).

"Under Apollo-eran, när astronauter skulle falla, var det 80 % av tiden när de gjorde utgrävningar eller något slags jobb med ett verktyg", säger teammedlemmen och MIT-doktoranden Erik Ballesteros. "Artemis-uppdragen kommer verkligen att fokusera på konstruktion och schaktning, så risken att falla är mycket högre. Vi tror att SuperLimbs kan hjälpa dem att återhämta sig så att de kan bli mer produktiva och förlänga sina EVAs."

Asada, Ballesteros och deras kollegor kommer att presentera sin design och studier denna vecka på IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Deras medförfattare inkluderar MIT postdoc Sang-Yoep Lee och Kalind Carpenter från Jet Propulsion Laboratory.

Ta ställning

Teamets design är den senaste applikationen av SuperLimbs, som Asada först utvecklade för ungefär ett decennium sedan och sedan dess har anpassats för en rad applikationer, inklusive att hjälpa arbetare inom flygplanstillverkning, konstruktion och skeppsbyggnad.

Senast undrade Asada och Ballesteros om SuperLimbs kunde hjälpa astronauter, särskilt som NASA planerar att skicka astronauter tillbaka till månens yta.

"I kommunikationen med NASA lärde vi oss att det här problemet med att falla på månen är en allvarlig risk", säger Asada. "Vi insåg att vi kunde göra några ändringar i vår design för att hjälpa astronauter att återhämta sig från fall och fortsätta med sitt arbete."

Teamet tog först ett steg tillbaka för att studera hur människor naturligt återhämtar sig från ett fall. I sin nya studie bad de flera friska frivilliga att försöka stå upprätt efter att ha legat på sidan, fram och bak.

Forskarna tittade sedan på hur volontärernas försök att stå upp förändrades när deras rörelser var begränsade, på samma sätt som astronauternas rörelser begränsas av huvuddelen av deras rymddräkter. Teamet byggde en kostym för att efterlikna styvheten hos traditionella rymddräkter, och lät frivilliga ta på sig dräkten innan de igen försökte resa sig från olika fallna positioner. Volontärernas sekvens av rörelser var liknande, men krävde mycket mer ansträngning jämfört med deras obesvärade försök.

Teamet kartlade varje volontärs rörelser när de ställde sig upp och fann att de utförde en gemensam sekvens av rörelser, flyttade från en ställning, eller "waypoint" till nästa, i en förutsägbar ordning.

"De här ergonomiska experimenten hjälpte oss att på ett enkelt sätt modellera hur en människa står upp", säger Ballesteros. "Vi skulle kunna postulera att cirka 80 procent av människorna ställer upp på ett liknande sätt. Sedan designade vi en kontroller runt den banan."

Hjälpande hand

Teamet utvecklade mjukvara för att generera en bana för en robot, efter en sekvens som skulle hjälpa till att stödja en människa och lyfta dem på fötter igen. De applicerade kontrollen på en tung, fast robotarm, som de fäste på en stor ryggsäck. Forskarna fäste sedan ryggsäcken på den skrymmande dräkten och hjälpte frivilliga tillbaka i dräkten. De bad volontärerna att återigen lägga sig på rygg, fram eller sida och lät dem sedan försöka stå medan roboten kände av personens rörelser och anpassade sig för att hjälpa dem på fötter.

Totalt sett kunde volontärerna stå stabilt med mycket mindre ansträngning när de fick hjälp av roboten, jämfört med när de försökte stå ensamma medan de bar den skrymmande dräkten.

"Det känns som en extra kraft som rör sig med dig", säger Ballesteros, som också provade kostymen och armassistansen. "Föreställ dig att du bär en ryggsäck och någon tar tag i toppen och liksom drar upp dig. Med tiden blir det lite naturligt."

Experimenten bekräftade att kontrollsystemet framgångsrikt kan styra en robot för att hjälpa en person att resa sig upp igen efter ett fall. Forskarna planerar att para ihop styrsystemet med deras senaste version av SuperLimbs, som består av två flerledade robotarmar som kan sträcka sig ut från en ryggsäck. Ryggsäcken skulle också innehålla robotens batteri och motorer, tillsammans med en astronauts ventilationssystem.

"Vi designade dessa robotarmar baserat på en AI-sökning och designoptimering, för att leta efter design av klassiska robotmanipulatorer med vissa tekniska begränsningar," säger Ballesteros. "Vi filtrerade igenom många mönster och letade efter den design som förbrukar minst energi för att lyfta en person. Den här versionen av SuperLimbs är produkten av den processen."

Under sommaren kommer Ballesteros att bygga ut hela SuperLimbs-systemet vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, där han planerar att effektivisera designen och minimera vikten av dess delar och motorer med hjälp av avancerade, lätta material. Sedan hoppas han kunna para ihop lemmarna med astronautdräkter och testa dem i simulatorer med låg gravitation, med målet att en dag hjälpa astronauter på framtida uppdrag till månen och Mars.

"Att bära en rymddräkt kan vara en fysisk börda", konstaterar Asada. "Robotiska system kan hjälpa till att lätta den bördan och hjälpa astronauter att bli mer produktiva under sina uppdrag."

Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.