Teamets bärbara exosuit är gjord av textilkomponenter som bärs i midjan och låren, och ett mobilt manöversystem fäst vid nedre delen av ryggen som använder en algoritm som robust förutsäger övergångar mellan gång och löpande gångarter. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University
Mellan att gå i lugn takt och springa för livet, mänskliga gångarter kan täcka ett brett spektrum av hastigheter. Vanligtvis, vi väljer den gång som gör att vi kan konsumera minst mängd energi vid en given hastighet. Till exempel, vid låga hastigheter, metabolismen av att gå är lägre än den för att springa i en långsam joggingtur; vice versa vid höga hastigheter, ämnesomsättningen vid löpning är lägre än för snabbgång.
Forskare i akademiska och industrilabb har tidigare utvecklat robotenheter för rehabilitering och andra områden i livet som antingen kan hjälpa till att gå eller springa, men ingen obunden bärbar enhet skulle effektivt kunna göra båda. Att hjälpa till att gå och springa med en enda enhet är utmanande på grund av den fundamentalt olika biomekaniken i de två gångarterna. Dock, båda gångarterna har gemensamt en förlängning av höftleden, som börjar runt den tidpunkt då foten kommer i kontakt med marken och kräver avsevärd energi för att driva kroppen framåt.
Som rapporterats idag i Vetenskap , ett team av forskare vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), och University of Nebraska Omaha har nu utvecklat en bärbar exosuit som hjälper till med gångspecifik höftförlängning under både gång och löpning. Deras lätta exosuit är gjord av textilkomponenter som bärs i midjan och låren, och ett mobilt aktiveringssystem fäst vid nedre delen av ryggen som styrs av en algoritm som robust kan detektera övergången från gång till löpning och vice versa.
Teamet visade först att exodressen som bärs av användare i löpbandsbaserade inomhustester, i genomsnitt, minskade sin metaboliska hastighet av att gå med 9,3 % och av att springa med 4 % jämfört med när de gick och sprang utan enheten. "Vi var glada över att se att enheten också fungerade bra under uppförsbacke, vid olika körhastigheter och under markprovning utomhus, som visade systemets mångsidighet, " sa Conor Walsh, Ph.D., som ledde studien. Walsh är en Core Faculty-medlem i Wyss Institute, Gordon McKay professor i teknik och tillämpad vetenskap vid SEAS, och grundare av Harvard Biodesign Lab. "Medan de metabola minskningarna vi fann är blygsamma, vår studie visar att det är möjligt att få en bärbar bärbar robot att assistera mer än bara en enda aktivitet, hjälpa till att bana väg för dessa system att bli allestädes närvarande i våra liv, sa Walsh.
Höften exosuit utvecklades som en del av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) tidigare Warrior Web-program och är kulmen på år av forskning och optimering av den mjuka exosuit-teknologin av teamet. En tidigare flerledad exosuit utvecklad av teamet kan hjälpa både höften och fotleden under promenader, och en medicinsk version av exosuiten som syftar till att förbättra gångrehabilitering för strokeöverlevande är nu kommersiellt tillgänglig i USA och Europa, via ett samarbete med ReWalk Robotics.
Teamets senaste höftunderstödjande exosuit är designad för att vara enklare och lättare än deras tidigare multi-led exosuit. Den hjälper bäraren via ett kabelmanöversystem. Aktiveringskablarna applicerar en dragkraft mellan midjebältet och lårlindningarna för att generera ett externt förlängningsmoment vid höftleden som samverkar med sätesmusklerna. Enheten väger totalt 5 kg med mer än 90 % av sin vikt placerad nära kroppens massacentrum. "Detta tillvägagångssätt för att koncentrera vikten, kombinerat med det flexibla klädgränssnittet minimerar den energiska bördan och rörelsebegränsningen för bäraren, " sa medförfattaren Jinsoo Kim, en SEAS doktorand i Walshs grupp. "Det här är viktigt för att gå, men ännu mer för att springa eftersom lemmarna rör sig fram och tillbaka mycket snabbare." Kim delade förstaförfattarskapet med Giuk Lee, Ph.D., en tidigare postdoktor i Walshs team och nu biträdande professor vid Chung-Ang University i Seoul, Sydkorea.
Den lätta och mångsidiga exosuiten hjälper till att förlänga höften under promenader i uppförsbacke, och vid olika löphastigheter i naturlig terräng. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University
En stor utmaning som teamet var tvungen att lösa var att exosuiten behövde kunna skilja mellan gång- och löpande gångarter och ändra dess aktiveringsprofiler därefter med rätt mängd assistans vid rätt tidpunkt i gångcykeln.
För att förklara de olika kinetiken under gångcyklerna, biomekanister jämför ofta gång med rörelserna hos en inverterad pendel och löpning med rörelserna hos ett fjädermassasystem. Under promenader, kroppens massacentrum rör sig uppåt efter hälstöt, når sedan maximal höjd i mitten av ställningsfasen för att sjunka mot slutet av ställningsfasen. I löpning, masscentrumets rörelse är motsatt. Den sjunker mot en minimihöjd i mitten av ställningsfasen och rör sig sedan uppåt mot push-off.
"Vi drog fördel av dessa biomekaniska insikter för att utveckla vår biologiskt inspirerade gångklassificeringsalgoritm som robust och tillförlitligt kan detektera en övergång från en gång till en annan genom att övervaka accelerationen av en individs massacentrum med sensorer som är fästa på kroppen, " sa medkorrespondent författare Philippe Malcolm, Ph.D., Biträdande professor vid University of Nebraska Omaha. "När en gångövergång upptäcks, exosuiten justerar automatiskt tidpunkten för sin aktiveringsprofil för att hjälpa den andra gången, som vi visade genom dess förmåga att minska metabolisk syreförbrukning hos bärare."
I pågående arbete, teamet är fokuserat på att optimera alla aspekter av tekniken, inklusive ytterligare viktminskning, individualisera hjälpen och förbättra användarvänligheten. "Det är mycket tillfredsställande att se hur långt vår strategi har kommit, sa Walsh, "och vi är glada över att fortsätta använda det på en rad olika applikationer, inklusive att hjälpa personer med gångstörningar, industriarbetare som riskerar att skadas som utför fysiskt ansträngande uppgifter, eller fritidshelgkrigare."
"Denna genombrottsstudie som kommer från Wyss Institutes Bioinspired Soft Robotics-plattform ger oss en inblick i en framtid där bärbara robotenheter kan förbättra livet för friska, samt betjäna personer med skador eller i behov av rehabilitering, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS, Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, och professor i bioteknik vid SEAS.
