新型轻巧、便携式可穿戴机器人服装,可提高跑步和步行性能

为了应对这一挑战,科学家展示了他们新开发的外衣,主要由织物背心、皮带和大腿包裹物制成,就像我们在日常生活中穿的衣服一样。这些组件通过电线连接,并装有电池和类似电动机的装置(执行器)。

  对于大多数人来说,步行似乎不是负担,但对于其他人来说,这项简单的任务却常常让人感到筋疲力尽。尤其是对于从手术或中风中恢复过来的患者、帕金森氏病患者、行动不便的患者,甚至对于在地形上难于行走、跑步或奔跑的士兵或消防员来说也是一件艰辛的事情。

  多年来,许多研究人员一直在思考这个问题:按理来说,目前研究机构已经开发了许多外部设备,这些设备一旦被用户佩戴,便可以使人们比通常情况下更轻松地移动、行走和运行。比如这些年来,已经开发出各种各样的“机器人外骨骼”或机器人服,以减少步行和跑步时用户的能量消耗(或新陈代谢率)。然而,到目前为止,正如中安大学的李教授说的那样:“机器人外骨骼往往笨重,当步行实验显示出令人鼓舞的结果时,随着设备重量增加,跑步所花费的能量超过了机器人协助带来的好处。”

  正如李教授及其同事在《科学》杂志上发表的论文中所解释的那样,问题在于“走路和跑步具有根本不同的生物力学,这使得开发能够同时帮助步态的装置具有挑战性。”为了应对这一挑战,科学家展示了他们新开发的外衣,主要由织物背心、皮带和大腿包裹物制成,就像我们在日常生活中穿的衣服一样。这些组件通过电线连接,并装有电池和类似电动机的装置(执行器)。该设备重量仅为5千克,可方便地安装在腰部周围,以帮助髋部伸展肌肉并允许更大范围的运动。更重要的是,这种防寒服可以在步行和跑步步态之间自动切换辅助模式,以实现最大的辅助效率。

新开发的由织物背心和金属丝制成的机器人服将帮助行动不便的人更有效地行走和奔跑。

  科学家们在不同地形的跑步机和户外跑道上测试了他们的原型,以研究在不同条件下穿外衣所节省的能源。他们使用一种算法对步态(步行或跑步)进行分类,该步态向设备提供了反馈并相应地调整了辅助模式。这使得穿着防护服的人可以将执行器启动的运动与算法确定的步态相匹配,从而最大程度地节省能量。室内和室外测试表明,该算法能够在超过99.98%的时间内正确识别步行和跑步步态。

  一旦他们确认了算法的准确性,科学家便研究了外衣的辅助功能所节省的新陈代谢。他们发现,穿外衣辅助可以将以1.5米/秒(4.8公里/小时)的速度行走时的能源成本降低9.3%,相当于用户减少7.4千克。他们还成功地确保了跑步任务(每秒2.5米或每小时9公里的速度)期间的节能,其中辅助功能使新陈代谢率降低了4%,相当于减轻了5.7公斤的体重。这种节能措施似乎微不足道,但据李教授及其同事说:“尽管新陈代谢率发生了变化,相对适中,它们的大小与已被证明足以改善最大步行和跑步性能的大小相似。因此,我们认为,这些节能措施可能会导致最大性能的成比例提高,例如在越野过程中。”

  同时,与以前的护膝服完全依靠膝盖功能不同,该新设备使用髋关节伸展来驱动腿部运动,这使得护膝服特别适合膝盖以上的截肢者和其他缺乏完整膝盖功能的人。通过利用髋关节伸展的力量,这种机器人套装的用户将能够在各种地形中实现更高的运动表现,并根据需要在跑步和步行之间无缝切换。

  最后,李教授说:“我们期望这种“可穿戴机器人服装”将有很多用途,例如用于帮助老年患者进行康复训练以及提高士兵或消防员的工作效率。从长远来看,我们可以设想这种防护服就像一直挂在衣柜里我们每天穿的衣服一样。”


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