I framtiden, smarta textilbaserade mjuka robotartiklar kan bäras av soldater, brandmän och räddningsarbetare för att hjälpa dem att korsa svår terräng och komma färska till sina destinationer så att de kan utföra sina respektive uppgifter mer effektivt. De kan också bli ett kraftfullt sätt att förbättra rörligheten och livskvaliteten för människor som lider av neurodegenerativa sjukdomar och för äldre.

Conor Walshs team vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University och Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har varit i framkant när det gäller att utveckla olika mjuka bärbara robotanordningar som stöder rörlighet genom att tillämpa mekaniska krafter på kritiska leder i kroppen, inklusive vid fotleden eller höftlederna, eller i fallet med en multi-joint mjuk exosuit båda. På grund av dess potential att lindra överbelastade soldater i fältet, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finansierade lagets ansträngningar som en del av sitt tidigare Warrior Web -program.

Medan forskarna har visat att labbaserade versioner av mjuka exosuits kan ge tydliga fördelar för bärare, låta dem spendera mindre energi när de går och springer, det finns fortfarande ett behov av helt bärbara exosuits som är lämpliga för användning i den verkliga världen.

Nu, i en studie som rapporterades under förfarandet vid IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2018, teamet presenterade sin senaste generation av en mobil multi-joint exosuit, som har förbättrats på alla fronter och testats på fältet genom långa marscher över ojämn terräng. Använda samma exosuit i en andra studie publicerad i Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation ( JNER ), forskarna utvecklade en automatisk inställningsmetod för att anpassa dess hjälp baserat på hur en individs kropp reagerar på den, och visade betydande energibesparingar.

Flerfogad mjuk exosuit består av textilklädnadskomponenter som bärs i midjan, låren, och kalvar. Genom ett optimerat mobilt aktiveringssystem som bärs nära midjan och integreras i en militär ryggsäck, mekaniska krafter överförs via kablar som styrs genom exosuitets mjuka komponenter till fotled och höftleder. Den här vägen, exosuit ger kraft till anklarna och höfterna för att hjälpa till med benrörelser under gångcykeln.

"Vi har uppdaterat alla komponenter i den här nya versionen av den flerfogade mjuka exosuiten:kläderna är mer användarvänliga, lätt att ta på och tillmötesgående olika kroppsformer; aktiveringen är mer robust, lättare, tystare och mindre; och kontrollsystemet gör att vi kan utöva krafter på höfter och anklar mer robust och konsekvent, "sa David Perry, en medförfattare till ICRA-studien och en personalingenjör i Walshs team. Som en del av DARPA -programmet, exosuiten testades i Aberdeen, MD, i samarbete med Army Research Labs, där soldater gick igenom en 12-mils längdåkningskurs.

"Vi har tidigare visat att det är möjligt att använda online optimeringsmetoder som genom att kvantifiera energibesparingar i labbet automatiskt anpassar kontrollparametrar mellan olika användare. Men vi behövde ett sätt att snabbt och effektivt ställa in kontrollparametrarna på soldaternas olika gångarter vid armén utanför ett laboratorium, "sa Walsh, Ph.D., Kärnfakultetsmedlem i Wyss Institute, John L. Loeb docent i teknik och tillämpad vetenskap vid SEAS och grundare, från Harvard Biodesign Lab.

I JNER -studien, laget presenterade en lämplig ny inställningsmetod som använder exosuit -sensorer för att optimera den positiva effekten som levereras vid fotleden. När en bärare börjar gå, systemet mäter effekten och justerar gradvis regulatorparametrarna tills de hittar de som maximerar exosuitets effekter baserat på bärarens individuella gångmekanik. Metoden kan användas som en proxymätning för genomarbetade energimätningar.

"Vi utvärderade de metaboliska parametrarna i de sju studiedeltagarna som bär exosuits som genomgick justeringsprocessen och fann att metoden minskade den metabola kostnaden för att gå med cirka 14,8% jämfört med att gå utan enheten och med cirka 22% jämfört med att gå med enheten utan kraft, "sa Sangjun Lee, den första författaren till båda studierna och en doktorand med Walsh vid SEAS.

"Dessa studier representerar den spännande kulmen på våra DARPA-finansierade ansträngningar. Vi fortsätter nu att optimera tekniken för specifika användningsområden i armén där dynamiska rörelser är viktiga; och vi undersöker den för att hjälpa arbetare i fabriker som utför ansträngande fysiska uppgifter, "sa Walsh." Dessutom, fältet har insett att det fortfarande finns mycket att förstå om grundvetenskapen om samanpassning av människor och bärbara robotar. Framtida strategier för samoptimering och nya utbildningsmetoder kan bidra till att ytterligare förstärka individualiseringseffekterna och göra det möjligt för användare som initialt svarar dåligt på exosuits att anpassa sig till dem också och dra nytta av deras bistånd ".

"Denna forskning markerar en viktig punkt i Wyss Institute's Bioinspired Soft Robotics Initiative och dess utveckling av mjuka exosuits genom att den öppnar en väg på vilken robotanordningar kan antas och anpassas i verkliga scenarier av friska och funktionshindrade, "sade Wyss Institute grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, och professor i bioingenjör vid SEAS.