Американские инженеры научили экзоскелет для ног увеличивать скорость ходьбы в среднем на 42 процента. После начала ходьбы экзоскелет постепенно оптимизирует параметры своей работы, подстраиваясь под ходьбу конкретного человека. Статья опубликована в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.
Чаще всего под экзоскелетом подразумевают конструкцию, которая надевается на все тело и усиливает его функции, к примеру, позволяя без особых усилий поднимать очень тяжелые предметы. Но на самом деле в области экзоскелетов есть множество разных направлений, сосредоточенных на определенных частях тела, в том числе ногах. Среди них можно выделить как пассивные экзоскелеты, помогающие человеку благодаря механическим свойствам конструкции, так и активные, двигающие его ноги при помощи электромоторов или других актуаторов.
Как правило, разработчики экзоскелетов для ног концентрируются на уменьшении метаболических затрат на ходьбу или бег, что позволяет человеку меньше уставать. Сын Мун Сон (Seungmoon Song) и Стивен Коллинз (Steven Collins) решили использовать экзоскелет ног иным образом — для увеличения скорости ходьбы. Они воспользовались экзоскелетом и стендом, созданным группой инженеров под руководством Коллинза в 2015 году. Экзоскелет имеет классическую для таких устройств конструкцию. Он закрепляется на голени и стопе, и эти две части связаны между собой тросом, натяжение которого позволяет менять угол между лодыжкой и голенью. Это в свою очередь значительно влияет на параметры ходьбы или бега.
Помимо самого экзоскелета авторы также воспользовались беговой дорожкой и стендом, который позволяет натягивать тросы и задавать параметры ходьбы. Дорожка автоматически меняла свою скорость, подстраиваясь под скорость движения испытуемого. Параллельно с этим менялись и параметры работы экзоскелета. Для этого авторы воспользовались часто применяемым для подобных задач эволюционным алгоритмом оптимизации CMA-ES, который начинает со случайных параметров, а затем отбирает лучшие параметры, повышающие целевой параметр (в данном случае повышающие скорость ходьбы испытуемого). Таким образом, постепенно он подбирает оптимальный режим работы для каждого конкретного человека, не требуя от инженеров сложного ручного подбора.
Схема оптимизации параметров экзоскелета
Источник изображения: Seungmoon Song, Steven Collins et al. / IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2021
Авторы отобрали десять добровольцев разного пола, которые затем участвовали в эксперименте на протяжении трех дней (эксперименты проходили не каждый день, а через 1-3 дня, чтобы исключить усталость от длительной ходьбы). Их задача заключалась в том, чтобы идти по беговой дорожке с комфортной скоростью в течение 72 минут, во время которых проходила оптимизация параметров. После оптимизации добровольцы ходили десять раз по две минуты в разных условиях: с надетым и включенным экзоскелетом, надетым и выключенным, а также без экзоскелета в обычных кроссовках.
Эксперименты показали, что средняя скорость ходьбы в кроссовках составила 1,31 метра в секунду, 1,27 метра в секунду с выключенным экзоскелетом и 1,83 метра в секунду со включенным. Таким образом, оптимизированный экзоскелет увеличил ходьбу добровольцев в среднем на 42 процента. Также авторы подсчитали метаболические затраты на ходьбу, но результаты оказались неоднозначными: в среднем экзоскелет уменьшил затраты на два процента, но у отдельных испытуемых они увеличивались на 78 процентов и уменьшались на 31 процент, поэтому четкие выводы о влиянии экзоскелета на затраты при такой выборке сделать невозможно.
Один из недостатков экзоскелета, использованного в этой работе, заключается в том, что он работает в паре со стационарном стендом, поэтому его можно использовать только для исследований. Но существуют и компактные экзоскелеты, крепящиеся на лодыжку, которые можно носить в обычной жизни и прятать под штаниной.
Григорий Копиев