U eksperimentima sa 11 tjelesno sposobnih ljudi, takozvanom algoritmu čovjek-u-petlji trebalo je oko sat vremena da optimizira egzoskelet, a nakon toga je smanjio količinu energije koja je sudionicima bila potrebna za šetnju, u prosjeku, 24 posto. članica istraživačkog tima Rachel Jackson, postdoktorska istraživačica na Odjelu za strojarstvo na Sveučilištu Carnegie Mellon (CMU).
"Veličina smanjenja bila je prilično zapanjujuća", rekao je Jackson za Live Science.
Jackson i njezini kolege, pod vodstvom Stevena Collinsa, izvanrednog profesora strojarskog inženjerstva CMU-a, i Juanjuan Zhang, ranije CMU, a sada profesor na sveučilištu Nankai u Kini, objavili su danas rezultate svog istraživanja na mreži danas (22. lipnja) u časopisu Znanost.
Laganiji teret sigurno je privlačan, ali personalizirani egzoskelet također bi mogao povećati udaljenost koju osoba s invaliditetom može prijeći, a čak bi mogao pomoći pojedincima da brže trče, rekao je Jackson.
Osobe s fizičkim oštećenjima, poput onih koji su pretrpjeli moždani udar, neurološku ozljedu ili amputaciju, također mogu ostvariti koristi, rekao je Jackson. Osobni egzoskelet mogao bi hodanje učiniti jednostavnijim ili lakšim nego prije amputacije ili ozljede, rekla je.
Prije toga, najveće prosječne redukcije energije koje su postigli drugi istraživački timovi iznosili su 14,5 posto, koristeći ručno prilagođene egzoskelete gležnja na obje noge, i 22,8 posto, koristeći egzosuit koji je djelovao na oba boka i oba gležnja koristeći prethodno programirane postavke.
Ali algoritam CMU-a-in-the-loop bio je bolji i nije se oslanjao na unaprijed programiranje.
"Ovaj je algoritam bio toliko dobar da je mogao otkriti strategiju pomoći za smanjenje troškova energije samo jednim uređajem", rekao je Jackson. "To je bilo prilično cool."
Izazov s egzoskeletima je taj što, iako su namijenjeni pružanju pomoći osobi, oni mogu spriječiti kretanje, rekao je Jackson. Za početak, svaki uređaj dolazi s vlastitom težinom, u rasponu od nekoliko unci do par kilograma, a korisnik mora nositi tu težinu. Egzoskeleti su također dizajnirani da primjenjuju silu na određene dijelove tijela, ali ako je vrijeme sile isključeno, osoba će možda trebati više energije da se kreće, rekao je Jackson. A to je kontraproduktivno.
Tijekom faze optimizacije nedavne studije, svaki je sudionik nosio egzoskelet gležnja, kao i masku namijenjenu izmjeri razine kisika i ugljičnog dioksida (CO2). Te se mjere odnose na to koliko energije osoba troši. Dok je svaka osoba ustalano koračala stazom, egzoskelet je primjenjivao skup različitih oblika pomoći na gležnjeve i stopala.
Ti su obrasci bili kombinacija vremena kada je bila primijenjena sila i količine sile. Na primjer, snage se mogu primijeniti rano u položaju (kada peta prvi put udari u zemlju), u sredini položaja (kada je stopalo ravno) ili kasno u položaju (kad se stopalo prevrne na nožni prst). Za vrijeme tih promjena položaja, mogla bi se primijeniti veća ili manja sila.
Algoritam je testirao odgovore sudionika na 32 različita uzorka, koji su se mijenjali svaka 2 minute. Zatim je mjerila da li taj obrazac osobi olakšava ili otežava hodanje.
Do kraja sesije, koja je trajala nešto više od sat vremena, algoritam je stvorio jedinstveni obrazac pomoći optimiziran za svakog pojedinca.
"U pogledu općeg oblika obrazaca, postojala je velika varijabilnost, što govori o važnosti prilagođavanja tih strategija svakoj osobi, umjesto da se ista stvar primijeni na sve", rekao je Jackson.
Dodala je da je uređaj možda dobro radio ne samo zato što je "učio", već i zato što je kako mijenjao obrazac pomoći, osoba koja ga koristi također je učila.
"Mislimo da to prisiljava ljude da istražuju različite načine koordinacije svojih poteza kako bi bolje komunicirali s uređajem", rekao je Jackson. To vam pomaže da vodite osobu o tome kako najbolje koristiti uređaj i od njega imati najveću korist. "To je dvosmjerna ulica", rekla je.
Ostali članovi tima planiraju testirati kako se algoritam može povećati kako bi se stvorio egzoskelet sa šest zglobova dizajniran za nošenje na cijeloj donjoj polovici tijela.
