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Le système d'exosquelette de cheville augmente la vitesse de marche auto-sélectionnée

Ne pouvoir pas marcher rapidement peut être frustrant et problématique, mais c'est une édition courante, particulièrement car les gens vieillissent. Notant la dominance de la marche lent-que-désirée, les techniciens à l'Université de Stanford ont vérifié à quel point un système d'exosquelette de prototype qu'ils ont développé - qui des attaches autour du tibia et dans une chaussure de course - a augmenté la vitesse de marche auto-sélectionnée des gens dans un cadre expérimental.

L'exosquelette est extérieurement actionné par des moteurs et réglé par un algorithme. Quand les chercheurs l'ont optimisé pour la vitesse, les participants ont marché, en moyenne, 42 pour cent plus rapide que quand ils ne s'usaient les chaussures normales et aucun exosquelette. Les résultats de cette étude étaient le 20 avril publié dans des transactions d'IEEE sur les systèmes neuraux et le bureau d'études de rééducation.

Nous espérions que nous pourrions augmenter la vitesse de marche avec l'aide d'exosquelette, mais nous étions étonnés réellement de trouver une si grande amélioration. Quarante pour cent sont énormes. »

Steve Collins, professeur agrégé de l'industrie mécanique chez Stanford et auteur supérieur du papier

Pour ce premier ensemble d'expériences, les participants étaient jeunes, adultes sains. Donné leurs résultats impressionnants, les chercheurs planification pour exécuter de futurs tests avec des adultes plus âgés et pour regarder d'autres voies le modèle d'exosquelette peut être amélioré. Elles espèrent également produire éventuellement un exosquelette qui peut fonctionner en dehors du laboratoire, bien que cet objectif soit toujours des voies hors circuit.

« Ma mission de recherches est de comprendre la science de la biomécanique et contrôle de moteur derrière la locomotion humaine et appliquer cela pour améliorer le rendement matériel des êtres humains dans la vie quotidienne, » a dit la chanson de Seungmoon, un boursier post-doctoral en industrie mécanique et l'auteur important du papier. « Je pense que les exosquelettes sont des outils très prometteurs qui pourraient réaliser cette amélioration de qualité de vie matérielle. »

Marche dans la boucle

Le système d'exosquelette de cheville vérifié dans cette recherche est un émulateur expérimental qui sert de banc d'essai à essayer différents modèles. Il a un bâti qui attache autour du tibia supérieur et dans une chaussure de course intégrée que le participant porte. Il est fixé aux grands moteurs qui se reposent près de la surface de marche et tire une longe qui fait fonctionner vers le haut de la longueur de l'arrière de l'exosquelette. Réglé par un algorithme, la longe tire le talon du porteur vers le haut, les aidant pour diriger leur tep vers le bas pendant qu'ils poussent hors de la prise de masse.

Pour cette étude, les chercheurs ont eu la promenade de 10 participants avec le mode de fonctionnement cinq différent. Ils ont marché dans des chaussures normales sans exosquelette, avec l'exosquelette tourné hors et avec de l'exosquelette allumé avec trois modes différents : optimisé pour la vitesse, optimisé pour l'utilisation de l'énergie, et un mode de placebo a réglé pour les effectuer marcher plus lentement. Dans tous les tests, les participants ont marché sur un tapis roulant qui s'adapte à leur vitesse.

Le mode qui a été optimisé pour la vitesse - qui a eu comme conséquence l'augmentation de 42 pour cent du rythme de marche - a été produit par un procédé de humain-dans-le-boucle. Un algorithme a à plusieurs reprises réglé les réglages d'exosquelette tandis que l'usager marchait, dans le but d'améliorer la vitesse de l'usager avec chaque réglage. La conclusion du mode de fonctionnement vitesse-optimisé a pris environ 150 séries de réglage et de deux heures par personne.

En plus de la vitesse de marche grand croissante, l'utilisation de l'énergie réduite vitesse-optimisée de mode également, par environ 2 pour cent selon le mètre s'est déplacée. Cependant, ce résultat a varié considérablement de la personne à personne, qui est en quelque sorte prévue, vu que ce n'était pas une caractéristique intentionnelle de ce mode d'exosquelette.

« L'étude a été conçue pour répondre particulièrement à la question scientifique au sujet de la vitesse de marche croissante, » Song a dit. « Nous ne nous sommes pas inquiétés trop des autres mesures de rendement, comme le confort ou l'énergie. Cependant, sept sur 10 participants non seulement ont marché plus rapidement mais ont absorbé moins d'énergie, qui montre réellement combien les exosquelettes potentiels ont pour les gens de aide d'un moyen efficace. »

Les réglages qui ont été optimisés particulièrement pour l'utilisation de l'énergie ont été empruntés à une expérience précédente. Dans l'étude actuelle, ce mode a diminué l'utilisation de l'énergie davantage que les réglages vitesse-optimisés mais n'a pas augmenté la vitesse autant. Comme prévu, le mode de placebo a ralenti des participants et a amplifié leur utilisation de l'énergie.

Meilleur, plus rapide, plus intense

Maintenant que les chercheurs ont atteint une telle aide significative de vitesse, ils planification pour concentrer des versions futures de l'émulateur d'exosquelette de cheville sur réduire l'utilisation de l'énergie chronique en travers des usagers, tout en également étant plus confortables.

En considérant des adultes plus âgés particulièrement, Collins et son laboratoire se demandent si les futurs modèles pourraient réduire la douleur entraînée en poids sur des joints ou améliorer le reste. Ils planification pour effectuer les tests de marche assimilés avec des adultes plus âgés et espérer ceux fournissent des résultats d'une manière encourageante aussi bien.

« Une augmentation de 40 pour cent de vitesse est plus que la différence entre de plus jeunes adultes et des adultes plus âgés, » a dit Collins. « Ainsi, il est possible que les dispositifs comme ceci pourraient non seulement remettre mais améliorer la vitesse de marche auto-sélectionnée pour des personnes plus âgées et celle est quelque chose que nous sommes excités pour vérifier ensuite. »

Source:
Journal reference:

Song, S & Collins, S.H (2021) Optimizing exoskeleton assistance for faster self-selected walking. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. doi.org/10.1109/TNSRE.2021.3074154.