V experimentech s 11 tělesně zdatnými lidmi trvalo takzvaný algoritmus „člověk ve smyčce“ asi hodinu, aby optimalizoval exoskelet, a poté snížil průměrné množství účastníků energie, které potřebovali k procházce v průměru o 24 procent, členka výzkumného týmu Rachel Jackson, postdoktorandka na katedře mechanického inženýrství na Carnegie Mellon University (CMU).
„Velikost redukce byla docela ohromující,“ řekl Jackson Live Science.
Jackson a její kolegové, vedeni Stevenem Collinsem, docentem strojního inženýrství CMU, a Juanjuan Zhangem, dříve CMU a nyní profesorem na Univerzitě Nankai v Číně, dnes zveřejnili výsledky svého výzkumu online (22. června) v časopise Věda.
Odlehčená zátěž je určitě přitažlivá, ale personalizovaný exoskeleton by také mohl zvětšit vzdálenost, kterou může zdatná osoba projít, a dokonce může pomoci jednotlivcům běžet rychleji, řekl Jackson.
Lidé s tělesným postižením, jako jsou ti, kteří utrpěli mozkovou mrtvici, neurologické zranění nebo amputaci, si mohou také uvědomit výhody, řekl Jackson. Personalizovaný exoskeleton by mohl udělat chůzi tak snadnou nebo snadnější než před amputací nebo zraněním, řekla.
Dříve byla největší průměrná redukce energie dosažená jinými výzkumnými týmy 14,5 procenta pomocí ručně nastavených exoskeletů kotníku na obou nohách a 22,8 procenta pomocí exosuitu působícího na obě boky a obě kotníky pomocí předprogramovaných nastavení.
Algoritmus CMU člověk v smyčce však fungoval lépe a nespoléhal se na předprogramování.
"Tento algoritmus byl tak dobrý, že dokázal objevit asistenční strategii ke snížení nákladů na energii pouhým jediným zařízením," řekl Jackson. "To bylo docela v pohodě."
Výzvou pro exoskeletony je to, že ačkoli mají pomoci člověku, mohou bránit pohybu, řekl Jackson. Pro začátečníky je každé zařízení dodáváno s vlastní hmotností, od několika uncí po několik kilo, a uživatel musí tuto hmotnost nést. Exoskeletony jsou také navrženy tak, aby aplikovaly sílu na určité části těla, ale pokud je načasování síly vypnuté, může být pro pohyb potřeba potřebovat více energie, řekl Jackson. A to je kontraproduktivní.
Během fáze optimalizace nedávné studie měl každý účastník kotníkový exoskelet a masku určenou k měření hladin kyslíku a oxidu uhličitého (CO2). Tato opatření se týkají toho, kolik energie osoba utrácí. Když každý chodil na běžícím pásu rovnoměrným tempem, exoskeleton použil na kotníky a prsty na nohou řadu různých modelů pomoci.
Tyto vzorce byly kombinací toho, kdy byla síla aplikována a velikosti síly. Například, síly mohly být aplikovány brzy v postoji (když pata nejprve udeří na zem), ve středu postoja (když noha je plochá) nebo pozdě v postoji (když noha se stočila k špičce). Během těchto změn poloh může být aplikováno větší nebo menší množství síly.
Algoritmus testoval reakce účastníků na 32 různých vzorců, které se měnily každé 2 minuty. Poté změřilo, zda vzor usnadňuje nebo ztěžuje chůzi.
Na konci relace, která trvala jen déle než hodinu, algoritmus vytvořil jedinečný vzor pomoci optimalizovaný pro každého jednotlivce.
"Pokud jde o obecný tvar vzorců, existovala velká variabilita, která hovoří o důležitosti přizpůsobení těchto strategií každému člověku, spíše než o aplikaci stejné věci na všechny," řekl Jackson.
Dodala, že zařízení mohlo dobře fungovat nejen proto, že se jednalo o „učení“, ale také proto, že když se změnila struktura pomoci, osoba, která jej použila, se také učila.
"Myslíme si, že to nutí lidi, aby prozkoumali různé způsoby koordinace jejich chůze, aby mohli lépe spolupracovat se zařízením," řekl Jackson. To pomáhá osobě, jak nejlépe používat zařízení, a získat z něj největší užitek. „Je to obousměrná ulice,“ řekla.
Ostatní členové týmu plánují otestovat, jak by se algoritmus mohl rozšířit a vytvořit exoskeleton se šesti klouby, určený k nošení v celé dolní polovině těla.
