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Il sistema dell'esoscheletro della caviglia aumenta la velocità di camminata autoselettiva

Non potere camminare rapidamente può essere frustrante e problematico, ma è un problema comune, particolarmente poichè la gente invecchia. Notando la dominanza di camminata lento-che-desiderata, gli ingegneri alla Stanford University hanno verificato come un sistema che dell'esoscheletro del prototipo hanno messo a punto - che attaches intorno allo stinco ed in una scarpa da corsa - ha aumentato la velocità di camminata autoselettiva della gente in un quadro sperimentale.

L'esoscheletro esternamente è alimentato dai motori ed è gestito da un algoritmo. Quando i ricercatori lo hanno ottimizzato per la velocità, i partecipanti hanno camminato, in media, 42 per cento più veloce di quando non stavano indossando le scarpe normali ed esoscheletro. I risultati di questo studio sono stati pubblicati il 20 aprile nelle transazioni di IEEE sui sistemi neurali e sull'assistenza tecnica di ripristino.

Stavamo sperando che potremmo aumentare la velocità di camminata con assistenza dell'esoscheletro, ma realmente siamo stati sorpresi trovare così grande miglioramento. Quaranta per cento sono enormi.„

Steve Collins, professore associato di ingegneria meccanica a Stanford ed autore senior del documento

Per questa serie di esperimenti iniziale, i partecipanti erano giovani, adulti in buona salute. Fornito i loro risultati impressionanti, i ricercatori pianificazione eseguire le prove future con gli adulti più anziani ed esaminare altri modi la progettazione dell'esoscheletro può essere migliorata. Egualmente sperano finalmente di creare un esoscheletro che può lavorare fuori del laboratorio, sebbene quello scopo sia ancora modi fuori.

“La mia missione della ricerca è di capire la scienza della biomeccanica e controllo di motore dietro locomozione umana ed applicare quello per migliorare la prestazione fisica degli esseri umani nella vita quotidiana,„ ha detto la canzone di Seungmoon, un collega postdottorale in ingegneria meccanica e l'autore principale del documento. “Penso che gli esoscheletri siano strumenti molto di promessa che potrebbero raggiungere quel potenziamento nella qualità di vita fisica.„

Camminando nel ciclo

Il sistema dell'esoscheletro della caviglia provato in questa ricerca è un emulatore sperimentale che servisce da banco di prova per la prova delle progettazioni differenti. Ha un fotogramma che si fissa intorno allo stinco superiore ed in una scarpa da corsa integrata che il partecipante indossa. È fissato ai grandi motori che si siedono accanto alla superficie di camminata e tira una cavezza che funziona sulla lunghezza della parte posteriore dell'esoscheletro. Gestito da un algoritmo, la cavezza tira il tallone dell'indossatore verso l'alto, aiutandoli per indicare il loro dito del piede giù mentre spingono fuori dalla terra.

Per questo studio, i ricercatori hanno avuti passeggiata di 10 partecipanti con il modo di funzionamento differente cinque. Hanno camminato in scarpe normali senza l'esoscheletro, con l'esoscheletro girato fuori da e con l'esoscheletro acceso con i tre modi differenti: ottimizzato affinchè velocità, ottimizzato per uso di energia e un regolato di modo del placebo li facciano camminare più lentamente. In tutte prove, i partecipanti hanno camminato su una pedana mobile che si adatta alla loro velocità.

Il modo che è stato ottimizzato per la velocità - che ha provocato l'aumento di 42 per cento nel passo di camminata - è stato creato con un trattamento del umano-in--ciclo. Un algoritmo ha regolato ripetutamente le impostazioni dell'esoscheletro mentre l'utente ha camminato, con lo scopo del miglioramento della velocità dell'utente con ogni adeguamento. L'individuazione del modo di funzionamento velocità-ottimizzato ha catturato circa 150 giri di adeguamento e di due ore a persona.

Oltre alla velocità di camminata notevolmente aumentante, il modo velocità-ottimizzato egualmente ha diminuito l'uso di energia, da circa 2 per cento per metro ha viaggiato. Tuttavia, quel risultato ha variato ampiamente da personale, che è preveduto piuttosto, dato che non era una funzionalità intenzionale di quel modo dell'esoscheletro.

“Lo studio è stato destinato specificamente per rispondere alla domanda scientifica circa la velocità di camminata aumentante,„ Song ha detto. “Non ci siamo preoccupati troppo per le altre misure di prestazione, come la comodità o l'energia. Tuttavia, sette su 10 partecipanti non solo hanno camminato più velocemente ma hanno consumato meno energia, che realmente mostra quanto gli esoscheletri potenziali hanno per la gente d'aiuto in un modo efficace.„

Le impostazioni che sono state ottimizzate specificamente per uso di energia sono state prese in prestito da un esperimento precedente. Nello studio corrente, questo modo ha fatto diminuire l'uso di energia più delle impostazioni velocità-ottimizzate ma non ha aumentato la velocità tanto. Come previsto, il modo del placebo sia ha rallentato i partecipanti che ha amplificato il loro uso di energia.

Migliore, più veloce, più forte

Ora che i ricercatori hanno raggiunto tale assistenza significativa della velocità, pianificazione mettere a fuoco le versioni future dell'emulatore dell'esoscheletro della caviglia sulla diminuzione dell'uso di energia coerente attraverso gli utenti, mentre però stando più bene.

Nella considerazione degli adulti più anziani specificamente, Collins ed il suo laboratorio si domandano se le progettazioni future potrebbero diminuire il dolore causato a peso sulle giunzioni o migliorare il bilanciamento. Pianificazione effettuare le simili prove di camminata con gli adulti più anziani e sperare quelli forniscono i risultati incoraggianti pure.

“Un aumento di 40 per cento nella velocità è più della differenza fra i più giovani adulti e gli adulti più anziani,„ ha detto Collins. “Così, è possibile che le unità come questa potrebbero non solo riparare ma migliorare la velocità di camminata autoselettiva per le persone più anziane e quella è qualcosa che siamo eccitati per provare dopo.„

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.