Экзоскелет научили быстро подстраиваться под конкретного человека

Исследователи разработали экзоскелет и программное обеспечение для него, которое подстраивает движения устройства под конкретного человека. В отличие от аналогичных систем, новому экзоскелету требуется чуть более 20 минут на адаптацию к пользователю, после чего его энергетические затраты на ходьбу снижаются на 17 процентов, сообщается в журнале Science Robotics.

Многие экзоскелеты предназначены для повышения силы человека, к примеру, для поднятия очень тяжелых грузов. Часть инженеров разрабатывают экзоскелеты другого типа, которые не увеличивают характеристики человека, но облегчают выполнение регулярных движений, в том числе и ходьбы. Такие разработки уже существуют, но почти все из них имеют усредненную конструкцию, не оптимизированную для конкретных людей, а те, которые все же подстраиваются под пользователя, требуют долгой калибровки.

Инженеры под руководством Конора Уолша (Conor Walsh) из Гарвардского университета разработали более совершенный алгоритм для экзоскелета, который умеет быстро адаптироваться под конкретного пользователя. Сам экзоскелет состоит из трех основных частей: верхней, закрепляемой на талии, и двух нижних, закрепляемых на бедрах. Они соединены тросами, присоединенными к внешнему аппарату, который может тянуть трос и тем самым помогать движению бедра при ходьбе.

Для быстрого определения наилучшего режима работы экзоскелета исследователи выбрали метод байесовской оптимизации, позволяющий легко находить минимум для функции с небольшим набором данных. Процесс калибровки экзоскелета происходит следующим образом. Пользователь идет по беговой дорожке с надетым экзоскелетом и датчиком интенсивности дыхания. Во время каждого шага экзоскелет тянет бедро, руководствуясь двумя параметрами: временем пиковой силы и временем прекращения работы. Получая данные об энергетических затратах организма из интенсивности дыхания алгоритм после каждого шага немного изменяет параметры работы экзоскелета, рассчитывая таким образом снизить нагрузку.

Разработчики проверили эффективность экзоскелета и алгоритма, проведя тесты на восьми добровольцах. Испытания показали, что экзоскелет снижает энергозатраты организма при ходьбе в среднем на 17,4 процента. При этом алгоритму потребовалось в среднем 21,4 минуты на оптимизацию под конкретного участника.

В прошлом году другая группа американских инженеров создала адаптивный экзоскелет для облегчения ходьбы, закрепляемый на нижнюю часть ног. Он может уменьшать энергетические затраты при ходьбе на четверть, но для нахождения оптимального режима работы ему требуется часовая калибровка.

Григорий Копиев