Ciało człowieka jest narzędziem zawodnym. Kontuzje, choroby i wiek sprawiają, że przestaje funkcjonować tak, jak byśmy sobie tego życzyli. Na szczęście z pomocą przychodzi nam nowoczesna medycyna i technologia.
Tym razem inżynierowie z Uniwersytetu Stanforda postanowili pochylić się nad problemami z chodzeniem, które dotykają większość starszych osób i opracowali egzoszkielet kostek.
Wyniki testów egzoszkieletu zaskoczyły naukowców
Prototyp szkieletu, zasilany przez zewnętrzne silniki, mógł być testowany jedynie w laboratorium. Sprzęt zamocowano na nogach użytkowników tak, aby górna część oplatała łydkę, a dolna, założona na bucie, podpierała śródstopie.
Po założeniu egzoszkielet wymagał jeszcze kalibracji i optymalizacji, aby mógł jak najlepiej dopasować się do każdego z badanych. Następnie chodziarze mieli do pokonania określony dystans na bieżni.
Wyniki pierwszych testów pokazały, że po założeniu egzoszkieletu uczestnicy badania chodzili średnio o 42 procent szybciej, niż w normalnym obuwiu. Tak dużej poprawy nie spodziewali się nawet sami pomysłodawcy projektu.
– Mieliśmy nadzieję, że uda nam się zwiększyć prędkość chodzenia przy pomocy egzoszkieletu, ale byliśmy naprawdę zaskoczeni, widząc tak dużą poprawę – mówi Steve Collins, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Stanforda i główny autor artykułu w czasopiśmie „IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering”.
Zewnętrzne silniki ograniczają funkcjonalność egzoszkieletu
Choć w zamyśle twórców egzoszkieletu ma on być wsparciem dla osób starszych, w pierwszych testach udział brali tylko młodzi i zdrowi dorośli. Imponujące wyniki, jakie udało się osiągnąć w ich przypadku, zachęciły naukowców do kontynuowania badań na grupie starszych osób.
Jednak największym wyzwaniem, jakie obecnie stoi przed inżynierami, jest zbudowanie egzoszkieletu o tej samej lub zbliżonej funkcjonalności i wydajności, który będzie działał poza laboratorium. Przyznają jednak, że na razie jest to wizja dość odległa.
Egzoszkielet kostki testowany w badaniu opisanym na łamach „IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering” to sprzęt eksperymentalny. Składa się z ramy zapinanej wokół górnej części łydki i zintegrowanego z konstrukcją buta do biegania, który zakłada użytkownik egzoszkieletu.
Całość jest połączona z dużymi zewnętrznymi silnikami, które znajdują się obok bieżni testowej. Silniki pociągają za linę biegnącą wzdłuż tylnej części egzoszkieletu. Kontrolowana przez indywidualnie kalibrowany algorytm konstrukcja pociąga piętę użytkownika w górę i pomaga mu skierować palec w dół, gdy jego stopa odbija się od ziemi.
Kalibracja egzoszkieletu wymaga dwugodzinnego marszu
W badaniu wzięło udział 10 ochotników. Chód każdego z nich został przetestowany w pięciu różnych sytuacjach: w czasie spaceru w zwykłych butach bez egzoszkieletu; z założonym, ale nie działającym egzoszkieletem i w trzech trybach pracy włączonego szkieletu (zoptymalizowanego pod kątem prędkości, pod kątem zużycia energii i w „trybie placebo” – dostosowanym do wolniejszego chodzenia).
Tryb zoptymalizowany pod kątem prędkości, w którym wykazano 42-procentowy wzrost tempa chodzenia, został utworzony dzięki algorytmowi „człowiek w pętli”. W trakcie spaceru użytkownika po bieżni algorytm wielokrotnie dostosowywał ustawienia egzoszkieletu, aby dopasować się do ruchu badanego i jak najefektywniej zwiększyć jego prędkość chodzenia.
Uzyskanie optymalnych wyników wymagało około 150 rund regulacji i dwóch godzin na bieżni dla każdego użytkownika. Tryb zoptymalizowany pod kątem prędkości pozwolił też na niewielkie zmniejszenie zużycia energii – o około 2 procent.
Teraz naukowcy planują skoncentrować się na zmniejszaniu zużycia energii i zwiększaniu komfortu użytkowników egzoszkieletu. Planują także przeprowadzić podobne testy z udziałem starszych dorosłych.
Mają nadzieję, że dalszy rozwój projektu w przyszłości pozwoli zmniejszyć ból spowodowany chorobami stawów, poprawić równowagę i ułatwić chodzenie osobom w podeszłym wieku. Niestety, na egzoszkielet rodem z filmów o Iron Manie na razie nie ma co liczyć.
Źródło: Stanford News