Экзоскелет научили адаптироваться под движения человека
Juanjuan Zhang et al. / Science, 2017
Исследователи из Университета Карнеги — Меллона разработали
экзоскелет для ног, который измеряет интенсивность дыхания своего человека и
за час адаптируется под стиль ходьбы своего носителя. Инженеры утверждают, что
их экзоскелет снижает энергозатраты организма больше, чем любые другие известные на
данный момент разработки. Исследование опубликовано в журнале Science.
Экзоскелеты
позволяют людям поднимать гораздо более тяжелые предметы, чем обычно, а некоторые
разработки возвращают возможность ходить парализованным людям, или людям,
проходящим реабилитацию после серьезных травм. Но обычно, экзоскелеты
сконструированы таким образом, что, хотя они и дают прибавку в силе, для
каждого шага в них требуется больше усилий, чем без них. Из-за этого некоторыми
экзоскелетами тяжело и неудобно пользоваться.
Американские ученые
решили исправить этот недостаток. Для этого они разработали экзоскелет,
надевающийся на ногу, который не просто облегчает ходьбу, но и делает это
по-разному для каждого человека.
Конструкция устройства. Изменение угла наклона лодыжки происходит за счет натяжения троса.
Juanjuan Zhang et al. / Science, 2017
Поделиться
Трос, изменяющий угол наклона лодыжки приводится в действие специальным мотором, который установлен стационарно и отдельно от основного устройства.
Juanjuan Zhang et al. / Science, 2017
Поделиться
Для того, чтобы экзоскелет адаптировался под походку конкретного человека, пользователю необходимо некоторое время провести на испытательном стенде. Стенд представлял собой беговую дорожку, отдельно стоящий компьютер и мотор, управляющий через трос углом наклона лодыжки. Помимо самого экзоскелета, к
компьютеру был подключен аппарат, измеряющий интенсивность дыхания человека. Также
исследователи разработали специальный алгоритм, который периодически менял
режим работы устройства во время каждого шага.
В испытаниях экзоскелета
участвовало 11 человек. Они надевали его на одну ногу и ходили в разных темпах
по беговой дорожке с закрепленной маской-измерителем интенсивности дыхания. Устройство
периодически меняло некоторые параметры работы во время шага, параллельно
измеряя изменения в интенсивности дыхания, а, следовательно, энергозатратах организма. Таким образом в среднем через час устройство находило оптимальный
режим работы для каждого их участников эксперимента.
Поскольку у каждого человека своя походка, экзоскелет может адаптироваться к ней и включать электромоторы во время разных отрезков шага и с разной интенсивностью
Juanjuan Zhang et al. / Science, 2017
Поделиться
Сравнение удельной мощности, требуемой при ходьбе без экзоскелета, с выключенным экзоскелетом, и включенным экзоскелетом соответственно. Гистограммы соответствуют разным режимам: медленной (A), нормальной (B), и быстрой (C) ходьбе, а также подъему (D) и ходьбе с нагрузкой (E).
Juanjuan Zhang et al. / Science, 2017
Поделиться
Также был проведен эксперимент на одном испытуемом, при котором на обе ноги были надеты устройства. В таком случае при нормальном
темпе ходьбы снижение энергозатрат составляло в среднем 25 процентов по сравнению с энергозатратами без экзоскелета. Исследователи надеются, что их разработка позволит в
будущем создать устройства, оптимизированные для каждого конкретного человека. Стоит отметить, что авторы указывают точные данные по снижению энергозатрат в случае с экзоскелетом на одной ноге только в сравнении с выключенным устройством, а не без него.
В мае 2017 года швейцарские исследователи разработали
экзоскелет, который не работает в обычном состоянии, но постоянно отслеживает
движения человека и предотвращает его падение, если тот оступился.