Екзоскелет автоматично пристосовується до кроків ходока

0
270

Роботизовані екзоскелети розглядаються як майбутнє промисловості, фізичної реабілітації та допомоги старим, але прогрес у цій галузі йде повільно. Втім, все може змінитися завдяки винаходу дослідників з Інженерного коледжу в Університеті Карнегі — Меллон. Вони розробили систему зворотного зв’язку, яка гармонізує рух роботизованих кінцівок з кроками людини.

Протягом годинниківи система стежить за диханням носія — і ітеративне змінює 32 режиму роботи екзоскелету, поки не знайде самий оптимальний.

Ідентифікація оптимального патерна потужності моторів екзоскелету під час ходьби — складне завдання. У кожної людини є свої особливості ходи, так і характеристики кроків залежать від багатьох умов, у тому числі від поверхні, по якій йде людина. Для вирішення цієї задачі інженери застосовують метод брутфорса, коли система тестує різні таймінги і потужності для пошуку оптимального режиму, що дає найбільшу метаболічну вигоду. Але для вимірювання метаболічної вигоди потрібно багаторазово вимірювати дихання носія, що, в свою чергу, скорочує кількість налаштувань, які можна випробувати під час брутфорса. Тобто і тут важко організувати найбільш оптимальну процедуру.

Група дослідників з Інженерного коледжу в Університеті Карнегі — Меллон у своїй науковій статті описує алгоритм, який оптимізує патерн крутного моменту всіх моторів екзоскелету протягом 1-годинниківної ітеративного процесу з оцінками метаболічної економії в реальному часі. Екзоскелет буквально підлаштовується під людину, відстежуючи його дихання.

Під час наукових випробувань ітеративної системи з людиною «в середині циклу» на декількох добровольцях система показала середню метаболічну економію 24,2 ± 7,4% порівняно з ходьбою при вимкненому екзоскелет. Тобто людина витрачає приблизно на чверть менше енергії, коли використовує екзоскелет. Таке скорочення трохи краще, ніж результати, отримані іншими дослідними групами, але це дуже хороші цифри з урахуванням того, що екзоскелет застосовувався лише для однієї ноги.

Крім того, після оптимізації алгоритму результати були поліпшені на тому ж екзоскелет. Але найголовніше, що таке навчання відбувається набагато швидше, ніж при використанні стандартного брутфорса і що було продемонстровано в інших дослідженнях. Це дозволяє випробувати більше різноманітних режимів роботи при брутфорсе (див. графіки).

Подібна інтерактивна схема з постійним відстеженням дихання людини (human-in-the-loop) дозволяє пристосовуватися до поточного стану людини, до його ходьбі в поточних умовах.

Чому дана методика пристосування до ходьби людини виявилася набагато ефективніше, ніж інші методи? З 1970 років вчені показали, що саме варіативна практика сприяє набуттю досвіду. До цього вважалося, що навчання повинно здійснюватися в постійних незмінних умовах. Грубо кажучи, людина повинна повторювати одне і те ж багато разів, щоб засвоїти це і придбати навик. Але немає. Як з’ясувалося, практика повинна бути варіативною: умови повинні змінюватися — так придбання навички йде набагато швидше. З тих пір варіативна практика використовується в медицині, спорті, професійному навчанні. Так от, алгоритм інженерів Університету Карнегі — Меллон ніби використовує цей принцип, який давно застосовується для навчання людей. Демонстрована тут метаболічна економія досягається за рахунок комбінації ефективної оптимізації крутного моменту і пристосування людини до великої різноманітності патернів крутного моменту, які перебираються в процесі.

Автори наукової роботи вважають, що таким способом можна прискорити повернення повноцінних моторних навичок пацієнтам, у яких ці навички порушені, наприклад, після інсультів. Варіабельність крутного момент екзоскелету забезпечить таке варіабельне навчальний оточення, в якому навички пацієнта будуть відновлюватися набагато швидше. Це приблизно як біг по пересіченій місцевості, який набагато краще тренує ноги, ніж біг по рівній біговій доріжці. Замість того, щоб ходити з однаковим зусиллям кожен день, людині доведеться підлаштовуватися, змінювати швидкість і зусилля: це буде по-справжньому ефективна тренування.

Крім того, вчені планують поставити перед собою ще одну задачу. Якщо зараз головною метою була економія метаболічного балансу (тобто банально економія сил) при ходьбі, то в майбутньому вони можуть поставити нову мету для оптимізації: швидкість. У минулі роки наукові дослідження показали, що екзоскелети дійсно можуть підвищити середню швидкість людини при ходьбі. Прийшов час перевірити, чи можна це зробити без шкоди для метаболічного балансу.

У будь-якому випадку, інтерактивний екзоскелет, який стежить за диханням ходка і його метаболічним баланс, діє за заданою програмою — хіба не за цим майбутнє? Навіть здорова людина не відмовився б від такого приладу. Наприклад, у звичайному режимі екзоскелет просто полегшує вам ходьбу. Але якщо ви спізнюєтеся на зустріч — натискаєте кнопку «Турбо», і екзоскелет починає працювати в режимі пріоритету швидкості.

Оцініть статтю

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Please enter your comment!
Please enter your name here