В експериментах з 11 працездатними людьми, так званому алгоритму "людина-в-циклі" знадобилося приблизно годину, щоб оптимізувати екзоскелет, а згодом, в середньому, скоротило кількість енергії, яка потрібна учасникам для прогулянки, в середньому на 24 відсотки, член дослідницької групи Рейчел Джексон, докторантура кафедри машинобудування в університеті Карнегі Меллона (КМУ).
"Розмір скорочення був досить приголомшливим", - сказав Джексон Live Science.
Джексон та її колеги під керівництвом Стівен Коллінз, доцент кафедри машинобудування КМУ, та Джуанжуан Чжан, раніше КМУ, а зараз професор Університету Нанкай в Китаї, опублікували результати своїх досліджень в Інтернеті сьогодні (22 червня) у журналі Наука.
Полегшене навантаження, безумовно, привабливе, але персоналізований екзоскелет також може збільшити відстань, яку може пройти працездатна людина, і це навіть може допомогти людям бігати швидше, сказав Джексон.
Люди з фізичними вадами, такі як ті, хто переніс інсульт, неврологічну травму чи ампутацію, також можуть усвідомити переваги, сказав Джексон. Персоналізований екзоскелет може зробити ходьбу легшою чи легшою, ніж це було до ампутації чи травми, - сказала вона.
Раніше найбільші середні скорочення енергії, досягнуті іншими дослідницькими командами, становили 14,5 відсотка, використовуючи вручну регульовані екзоскелети голеностопа на обох ногах, і 22,8 відсотка, використовуючи екзозу, який діяв на обидва стегна та обидві щиколотки за допомогою попередньо запрограмованих налаштувань.
Але алгоритм CMU людини в циклі працював краще, і він не покладався на попереднє програмування.
"Цей алгоритм був настільки хорошим, що він зміг розкрити стратегію допомоги для зменшення енерговитрат лише за допомогою одного пристрою", - сказав Джексон. "Це було досить круто".
Завдання екзоскелетів полягає в тому, що, хоча вони призначені для допомоги людині, вони можуть перешкоджати руху, сказав Джексон. Для початку кожен пристрій має свою власну вагу, починаючи від кількох унцій до пари кілограмів, і користувач повинен переносити цю вагу. Екзоскелети також розроблені для того, щоб застосовувати силу до певних частин тіла, але якщо час дії сили вимкнений, людині, можливо, знадобиться використовувати більше енергії для руху, сказав Джексон. І це контрпродуктивно.
Під час фази оптимізації недавнього дослідження кожен учасник носив екзоскелет голеностопа, а також маску, призначену для вимірювання рівня кисню та вуглекислого газу (СО2). Ці заходи стосуються того, скільки енергії витрачає людина. Коли кожна людина ходила по біговій доріжці у рівному темпі, екзоскелет застосовував на щиколотки та пальці ніг різні форми допомоги.
Ці зразки були поєднанням при застосуванні сили та кількості сили. Наприклад, сили можна застосовувати рано в положенні (коли п'ята вперше вдариться об землю), посередині положення (коли стопа плоска) або пізно в положенні (коли стопа підкотилася до нога). Під час цих змін у положеннях може бути застосована більша чи менша кількість сили.
Алгоритм перевіряв відповіді учасників на 32 різні схеми, які змінювалися кожні 2 хвилини. Потім він вимірював, чи вдається, щоб ця модель полегшувала чи ускладнювала людину ходити.
На кінець сеансу, який тривав трохи більше години, алгоритм створив унікальну схему допомоги, оптимізовану для кожної людини.
"Що стосується загальної форми шаблонів, то існувала велика мінливість, що говорить про важливість налаштування цих стратегій для кожної людини, а не застосування того ж самого для всіх", - сказав Джексон.
Вона додала, що пристрій, можливо, спрацював не лише тому, що він "навчався", а й тому, що, коли він змінював схему допомоги, людина, яка користується ним, також навчалася.
"Ми вважаємо, що це змушує людей досліджувати різні способи узгодження їх ходи, щоб краще взаємодіяти з пристроєм", - сказав Джексон. Це допомагає орієнтувати людину на те, як найкраще користуватися пристроєм та отримувати від нього найбільшу користь. "Це двостороння вулиця", - сказала вона.
Інші члени команди планують перевірити, як алгоритм можна було б збільшити, щоб створити екзоскелет з шістьма суглобами, розроблений для носіння на всій нижній половині тіла.
