Exoskelett är enheter som bärs för att skydda eller stödja — som en rustning eller en hjälm. Dessa och andra passiva enheter har funnits i årtusenden, men dagens forskare utvecklar drivna exoskelettsystem som, i framtiden, kan ta människor till nya nivåer av styrka och uthållighet.

Genom att ge extra kraft, de skulle kunna förbättra soldaternas uthållighet på slagfältet eller hjälpa arbetare att utföra uppgifter lättare och säkrare. De skulle också kunna hjälpa skadade och funktionshindrade att återfå sitt oberoende.

Men för att få nästa generations exoskelett att fungera, vi måste ompröva våra idéer om hur bärbara system interagerar med människorna som använder dem. Docent Leia Stirling gör just det på U-M institutionen för industriell drift och teknik. Tidigare vid MIT flygavdelningen, Stirlings mänskliga faktorer som fungerar på U-M kastar nytt ljus över hur drivna exoskelett förändrar hur deras bärare tänker och rör sig. Stirlings senaste tidning har titeln "Static, Dynamisk, och Cognitive Fit of Exosystems for the Human Operator." Vi satte oss ner med henne nyligen för att lära oss mer om hennes arbete.

Vi har alla sett massor av exoskelett i filmer som Iron Man och RoboCop. Är det den typen av system du arbetar med?

Inte precis – jag tror att exoskelett för hela kroppen fortfarande är långt borta. Sålänge, fastän, det finns mer begränsade drivna exoskelettapplikationer som kan hjälpa människor med specifika rörelser, som att ge stöd och kraft till en fotled eller ett knä. Det är de lågt hängande frukterna, och vi börjar se dessa system kommersiellt. Men det återstår mycket arbete innan de blir praktiska för utbredd användning.

Varför är ens enledsdrivna exoskelett så mycket mer komplexa än passiva system?

När vi lägger till kraft till även ett enkelt exoskelett, vi måste börja tänka på det mindre som ett klädesplagg och mer som ett mycket litet fordon. När jag sätter på mig ett exoskelett, Jag är inne i den och den rör mig aktivt. Så vi måste tänka på det ur ett mänskligt perspektiv – hur kan användaren köra det fordonet mest effektivt och säkert?

Det är ett avsteg från det förflutna, där exoskelettforskare mest fokuserade på anordningarnas mekanik. Och det betyder att mänskliga faktorforskare som jag måste arbeta med maskiningenjörer för att få dessa maskiner till nästa nivå.

Hur vet du att motordrivna system påverkar bäraren annorlunda än hängslen och andra enheter vi har haft i flera år?

Alla system kan påverka hur vi rör oss och drivna system är inget undantag. Till exempel, inte så länge sedan, vi gjorde en studie där deltagarna bar ett enkelt motordrivet exoskelett – ett som gav extra kraft till fotleden när de tryckte upp foten från marken när de gick. Vi slog på den, och vi fann att olika deltagare använde den boosten väldigt olika när de anpassade sig till systemet. Vissa tog längre steg, några tog kortare steg, några förblev desamma. Vissa gick tillbaka till sina normala gångmönster efter att vi stängde av strömmen, vissa gjorde det inte.

Studien visade att även en liten förändring förändrar feedbackslingan som gör att vi kan navigera i vår miljö. Dessa förändringar kan ske både medvetet och omedvetet. Vi måste förstå hur dessa drivna system påverkar vår uppfattning, kognition, och motorisk process och hur vi kan designa exoskeletten för att på lämpligt sätt anpassa sig till individuella användare.

Hur mäter man om ett motordrivet exoskelett "passar" sin bärare?

Vi har faktiskt tänkt om tanken på "passform" i en ny tidning som vi publicerade. Vi har delat upp det i tre separata aspekter.

Den första är "statisk passform" - det här är vad vi är vana vid, som hur väl den här enheten passar storleken och formen på min kropp när jag inte rör mig.

Den andra dimensionen är "dynamisk passform, "dvs hur bra enheten rör sig med mig. Begränsar den min rörelse, och passar den ordentligt under hela rörelseomfånget jag behöver utföra för en uppsättning uppgifter?

Den tredje dimensionen, och den som vi är minst vana vid, är "kognitiv passform". Den här dimensionen mäter hur en enhet som jag har på mig förändrar mitt sätt att tänka på rörelse, både medvetet och omedvetet. Hur tolkar jag feedbacken jag får från enheten? Och hur kan tillverkarna av en enhet anpassa sin feedback till olika användares kognitiva processer?

Drivna exoskelettenheter ger i sig taktil feedback på grund av hur de applicerar krafter på kroppen under rörelse. Men vi tittar också på hur vi kan designa i explicit feedback för att hjälpa användare att bygga upp förtroende för enheterna och göra dem enklare att använda effektivt.

Om vi ​​nu behöver överväga dessa nya faktorer, betyder det att vi tappar mark på vägen mot nya typer av exoskelettsystem?

Tvärtom, Att identifiera dessa ytterligare dimensioner är en del av processen att bygga nya typer av maskiner. Exoskelett är verkligen tvärvetenskapliga system, så att designa dem kräver en unik uppsättning färdigheter. Denna forskning ger en ram för att få det att hända.

Faktiskt, en av anledningarna till att jag kom till Michigan var att det fanns alla dessa människor som tänkte på exoskelett från alla dessa olika perspektiv. Jag är verkligen exalterad över att vara på en plats där det finns alla dessa människor som tittar på det från olika vinklar som kan arbeta tillsammans.