Als Conor Walsh Doktorand am MIT war, fungierte er als Testpilot für das Exoskelettprogramm seines Professors. Das leistungsstarke, starre Gerät war aufgrund der Art und Weise, wie es mit dem Körper in Verbindung stehen musste, eine Herausforderung beim Tragen und Arbeiten und zwang den Körper des Benutzers, sich der Struktur des Geräts anzupassen, und nicht umgekehrt.
Schließlich zog Walsh nach Harvard und begann mit seiner eigenen Erforschung von Exosuiten. Aber er legte Wert darauf, an weichen, geschmeidigen Systemen zu arbeiten, um die Fortbewegung zu unterstützen. Nach fünfjähriger Arbeit haben seine Anzüge den Wanderern geholfen, sich 20 bis 25 Prozent effizienter zu bewegen, so seine kürzlich in Science Robotics veröffentlichte Studie .
"Der Ansatz, den wir verfolgen, und eine Reihe anderer Gruppen fangen ebenfalls an, zu handeln. Können Sie kleine bis mittelschwere Hilfe leisten, aber über eine sehr leichte und nicht einschränkende Plattform?", Sagt Walsh.
Das Gerät basiert auf einem Kabel, das die Bewegung von zwei verschiedenen Gelenken unterstützt, dem Knöchel und der Hüfte. Der Benutzer trägt einen Gurt um die Taille und die Gurte erstrecken sich von diesem Gurt bis zu den Hosenträgern um jede Wade. Ein Kabel verläuft von der Ferse bis zu einer Riemenscheibe an der Wade und dann zu einem kleinen Motor. (Im Moment hat er den Motor und die Stromquelle an einer anderen Stelle montiert, um das Studium zu vereinfachen.)
An den Füßen angebrachte Kreiselsensoren senden Daten an einen Mikrocontroller, der den Schritt des Fußgängers interpretiert und den Motor zum richtigen Zeitpunkt einschaltet. Wenn der Motor das Kabel aufrollt, zieht er an der Ferse und unterstützt so den Schritt (Plantarflexion genannt). Der Hüftgurt dient zwei Zwecken; Es wirkt als Unterstützung, sodass das Kalb nicht so viel Druck aushalten muss, bietet aber auch Unterstützung für das Hüftgelenk, da die Kraft von der Riemenscheibe über die Gurte nach oben übertragen wird.
Walsh und seine Mitautoren ließen den Apparat mit vier verschiedenen Leistungsstufen laufen, um herauszufinden, was am effizientesten war.
"Das Hauptziel dieser Studie war es, zu untersuchen, wie viel Unterstützung wir der Person leisten, wenn wir sie unterstützen. Welche Art von Reaktion sehen wir von der Person?", Sagt Walsh.
Was sie fanden, war, dass sie selbst bei der höchsten Unterstützungsstufe (gemessen an der Kraft, die als Prozentsatz des Körpergewichts angewendet wurde und maximal 75 Prozent betrug) kein Plateau sahen; Die Effizienz, gemessen an der Sauerstoffmenge, die die Teilnehmer beim Gehen verbrauchten, stieg weiter an.
"Seine Daten deuten darauf hin, dass es, wenn Sie weiterhin versuchen, weitere Unterstützung hinzuzufügen, möglicherweise keine Begrenzung und keine Begrenzung dafür gibt, um wie viel wir den Kraftstoffverbrauch einer Person verbessern können, wenn Sie so wollen", sagt Greg Sawicki. Sawicki arbeitet auch in Exosuits mit Gehhilfe als außerordentlicher Professor für biomedizinische Technik an der Universität von North Carolina. Seine Geräte basieren auf einem kleinen, leichten, starren Exoskelett - manchmal angetrieben, manchmal durch eine Feder betätigt - das um den Knöchel passt.
„In unseren Studien haben wir ein anderes Ergebnis festgestellt, nämlich, dass die Renditen häufig sinken“, sagt er. „Bis zu einem bestimmten Punkt der Unterstützung macht man es gut, und wenn man dann zu viel gibt, beginnt die Effizienz des Mensch-Maschine-Systems zu sinken.“ Er vermutet, dass ein Teil des Unterschieds auf die Mehrgelenkarchitektur von Walsh zurückzuführen ist und wie es beinhaltet die Bewegung der Hüfte.
Sowohl Walshs als auch Sawickis Arbeit wurde im medizinischen Bereich eingesetzt, um Schlaganfallopfern oder Patienten mit Multipler Sklerose oder anderen altersbedingten Verletzungen und Krankheiten zu helfen, ihre Mobilität zu verbessern. Walsh hat mit ReWalk Robotics zusammengearbeitet, um Systeme für diese Anwendungen zu entwickeln. Es gibt jedoch eine zweite wichtige Anwendung, die Walsh dabei geholfen hat, DARPA-Mittel zu erhalten: Soldaten, die schwere Ausrüstung schleppen, könnten eines Tages solche Anzüge verwenden, um weiter zu gehen, mehr zu tragen und weniger Müdigkeit zu erleben.
Um beide Ziele zu erreichen, hat Walsh die Textilien, die Antriebssysteme und die Steuerungen weiterentwickelt, um solche Anzüge auch außerhalb des Labors realistischer zu gestalten. "Die Fortschritte auf diesem Gebiet sind auf die Zusammenarbeit mit Menschen zurückzuführen, die den Menschen, die Physiologie, die Biomechanik und die Menschen, die die Robotik und den technologischen Aspekt verstehen, verstehen", sagt er. Es ist ein interdisziplinärer Ansatz, der Design und Ergonomie, aber auch Biomechanik, Software-Engineering und Robotik umfasst. Jeder geht ein bisschen anders, daher muss das System zumindest teilweise anpassbar sein. Und dann ist da noch das Gewicht.
„Die größte Herausforderung ist die Leistungsdichte der Betätigung“, sagt Sawicki und weist darauf hin, dass die Montage der Batterien und Motoren auf dem Gehgestell anstelle eines Standplatzes in der Nähe, wie dies Walsh tat, die Effizienz beeinträchtigen könnte. Bis sich die Batterie- und Motortechnologie verbessert, erfordert jede Leistungssteigerung eine Gewichtszunahme, ein Kompromiss, der derzeit allen solchen Gehern inhärent ist. "Es gibt die Grundregel, dass man, wenn man stärker sein will, schwerer sein muss, wenn es um Motoren geht."
