När ingenjörer gör framsteg i designen av bärbara, elektroniskt aktiv, och känsliga benstöd, armstöd, och helkroppsdräkter, kollektivt kända som exoskelett, forskare vid MIT ställer en viktig fråga:Även om dessa Iron Man-liknande bihang kan förstärka en persons styrka, rörlighet, och uthållighet, vilken effekt kan de ha på uppmärksamhet och beslutsfattande?

Frågan är långt ifrån trivial, eftersom exoskelett för närvarande designas och testas för användning på slagfältet, där amerikanska soldater förväntas utföra fokuserade taktiska manövrar medan de vanligtvis bär 60 till 100 pund utrustning. Exoskelett som elektroniskt adaptiv höft, knä, och benstöd kan bära en betydande del av en soldats belastning, frigör dem för att röra sig snabbare och med mer smidighet.

Men kan bära sådana bioniska tillägg, och anpassa sig till deras rörelser, ta bort en del av den uppmärksamhet som behövs för kognitiva uppgifter, som att upptäcka en fiende, vidarebefordra ett meddelande, eller följa en skvadron?

Svaret, MIT-teamet hittade, är ja, åtminstone i vissa scenarier. I en studie som de presenterar denna vecka på Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting i Philadelphia, forskarna testade frivilliga, som antingen var aktiva medlemmar av militären eller deltagare i en reservofficersutbildningsenhet (ROTC), när de marscherade genom en hinderbana medan de bar ett kommersiellt tillgängligt knä exoskelett och bar en ryggsäck som vägde upp till 80 pund. Sju av de 12 försökspersonerna hade långsammare reaktionstider i en visuell uppgift när de avslutade kursen med exoskelettet på och på, jämfört med när de avslutade det utan exoskelettet.

Forskarna fann också att soldaterna, när man blir ombedd att följa en ledare på ett visst avstånd, var mindre kapabla att hålla ett konstant avstånd medan de bar exoskelettet.

Resultaten, även om det är preliminärt, föreslår att ingenjörer som designar exoskelett för militär och annan användning kanske vill överväga en enhets "kognitiva passform" - hur mycket av en användares uppmärksamhet eller beslutsfattande enheten potentiellt kan avleda även när de hjälper dem fysiskt.

"I ett militärt exoskelett, soldater ska söka efter fiender i miljön, se till var andra personer i deras lag är, övervakar en mängd olika saker, säger Leia Stirling, en biträdande professor vid MIT:s avdelning för flygteknik och astronautik och medlem av Institutet för medicinsk teknik och vetenskap. "Du vill inte att de ska behöva fokusera på hur de kliver på grund av exoskelettet. Det var därför jag var intresserad av hur mycket uppmärksamhet dessa teknologier kräver."

Stirlings medförfattare på papper inkluderar forskare vid MIT, Draper, och University of Massachusetts i Lowell.

Följ ledaren

För att undersöka exoskeletts effekt på en användares uppmärksamhet, laget satte upp en hinderbana vid UMass Lowells NERVE Center, en anläggning som normalt testar och utvärderar robotar över olika fysiska banor. Stirling och hennes kollegor modifierade en befintlig hinderbana för att inkludera tvärbackar och korta väggar att kliva över. Ljus i båda ändarna av hinderbanan sattes upp för att intermittent blinka av och på.

Teamet tog in 12 manliga försökspersoner och utbildade dem under en period av tre dagar. Under den första dagen, de var var och en skräddarsydd med, och tränad att använda, ett kommersiellt tillgängligt exoskelett i knäet – ett stel, motordrivet knästöd utformat för att hjälpa till att förlänga en användares ben och öka uthålligheten medan, till exempel, i att klättra över hinder och gå långa sträckor.

Under de följande två dagarna, försökspersonerna instruerades att navigera i hinderbanan medan de följde en forskare, utger sig som skvadronmedlem. När de tog sig igenom kursen, försökspersonerna utförde flera kognitiva uppgifter. Den första var en visuell uppgift, där försökspersonerna var tvungna att trycka på en knapp på ett låtsasgevär så snart de uppfattade ett ljus tänds. Den andra var ett par ljuduppgifter, där försökspersonerna var tvungna att svara på en radiosamtalskontroll med ett enkelt "Roger, över, "samt en mer komplicerad uppgift, där de fick lyssna på tre ledare som rapporterade olika antal fiender och sedan rapportera det totala antalet över radion. Den tredje var en uppföljningsuppgift, där försökspersonerna fick hålla ett visst avstånd från skvadronledaren när de navigerade banan.

Övergripande, Stirling fann att för den visuella uppgiften, sju av de 12 försökspersonerna som bar det drivna exoskelettet reagerade betydligt långsammare och hade en tendens att missa ljussignaler helt, jämfört med deras prestanda när de inte bär enheten. Medan du bär det motordrivna knästödet, försökspersonerna hade också svårare att hålla det angivna avståndet när de följde ledaren.

Vätskedräkter

Går framåt, Stirling planerar att undersöka vikten av reaktionstider samtidigt som hon bär ett exoskelett i olika sammanhang.

"För en militärsoldat, om de inte upptäcker en fiende mer än en halv sekund, vad betyder det? Utsätter det deras liv för fara, eller är det OK?" säger Stirling. "Vi måste förstå bättre vad dessa operativt relevanta skillnader är. En reaktionstid på en halv sekund för mig att gå på en trottoar är nog ingen stor grej. Men det kan vara en stor sak i en militär miljö."

Intressant, teamet identifierade några användare som var oberörda av tillägget av ett exoskelett, och som presterade lika bra i det visuella, audio, och efterföljande uppgifter.

"I den här studien, vi ser att vissa människor inte har något underskott i sin uppmärksamhet. Men vissa människor gör det, och vi är inte säkra på varför vissa människor är bra exoskelettanvändare och vissa har svårare, " säger Stirling. "Nu börjar vi undersöka vad som gör människor till bra användare kontra mindre skickliga användare. Är detta kört från en motorbana, eller en perceptionsväg, eller en kognitiv väg?"

Stirlings grupp arbetar mot en bättre förståelse av hur människor anpassar sig och reagerar på exoskelett och andra bärbara teknologier, som nästa generations rymddräkter.

"Vi tittar på flytet mellan vad systemet gör och vad människan gör, " säger Stirling. "Om människan vill snabba upp eller sakta ner, kan detta system utformas för att röra sig på rätt sätt så att människan inte slåss mot systemet, och vice versa?"

Utöver militära och rymdtillämpningar, Stirling säger att om kopplingen mellan människan och maskinen kan göras mer flytande, kräver mindre av en användares omedelbara uppmärksamhet, då kan exoskelett hitta en mycket bredare, kommersiellt tilltal.

"Kanske vill du kunna bestiga det berget, eller gå på en längre vandring, eller så kanske du är äldre och vill springa runt med dina barnbarn, säger Stirling.

"Hur kan du designa exoskelett så att människor kan minska sin egen skaderisk och utöka sin förmåga, deras dagliga aktiviteter? Dessa system är verkligen spännande. Vi vill bara vara medvetna om de olika riskerna som uppstår när man tar in något i en naturlig miljö."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.