外骨骼設備有多種用途,例如可以加快我們的步行速度或使跑步更容易。但是,究竟如何可以使外骨骼更有效。例如,定制有什么好處?簡單地習慣外骨骼有多大影響?


斯坦福大學斯坦福生物機電一體化實驗室的研究人員研究了這些問題,發現訓練在外骨骼提供幫助方面起著非常重要的作用。


人們在學習新任務方面表現出色,可以僅通過培訓讓人們有時間學習如何自己使用設備,他們就可以從設備中受益匪淺。


外骨骼機器人“教你”走路,長時間培訓可加快患者康復速度


為了揭開外骨骼成功的秘密,Poggensee 和機械工程副教授兼生物機電實驗室負責人 Steve Collins 監測了 15 名配備腳踝外骨骼模擬器的人的進展情況,該模擬器是一種連接到鞋子和腳踝周圍的裝置。一個人的腿并模仿動力外骨骼,但允許通過基于實驗室的特殊控制器進行大量定制和微調。


這些人以前從未使用過外骨骼,雖然他們都從訓練中受益,但不同的方法產生了截然不同的結果。與關閉外骨骼行走相比,接受最有利訓練條件的參與者在外骨骼輔助下行走時消耗的能量減少了近 40%。在所有參與者中,研究人員確定訓練貢獻了外骨骼提供的整體益處的一半左右。


將外骨骼體驗描述為不像穿上超級英雄的智能盔甲,而更像是騎自行車。一旦你學會了如何做得好,你就可以穿上外骨骼開始走路,這很容易,但要想成為專家確實需要一段時間。


外骨骼機器人“教你”走路,長時間培訓可加快患者康復速度


研究人員關注三個主要問題:我能否通過給人們一個設備并讓他們長時間行走來訓練他們使用外骨骼?如果讓人們接觸各種外骨骼行為,能幫助他們更快地訓練嗎?而且,一旦人們接受了全面培訓,外骨骼的定制控制如何影響表現?


參與者被分為三個主要小組,每個小組都經歷了五天的培訓。一組接受外骨骼模擬器的通用幫助(基于過去對參與者的幫助),另一組在整個研究過程中根據他們的特定需求不斷優化設備,第三組經歷了每天重置的優化。正如預期的那樣,持續優化組的參與者看到了能量消耗的最大下降,并且由于他們接觸到了一些外骨骼行為的多樣性,因此更快地獲得了這些好處。


通過比較所有測試,研究人員確定訓練對這種改善負責大約一半,大約四分之一是由于到定制。對于有行動不便的人來說,定制可能更為重要。


另一個驚喜是參與者成為“專家”需要多長時間,研究人員將其定義為他們的能量改善達到穩定水平的點。這在外骨骼模擬器中花費了大約兩個小時,相當于步行 5 英里。這聽起來可能不長,但它是實驗室研究的重大承諾。


這項研究指出了更好地理解培訓的價值,包括人們如何習慣移動設備以及如何改進培訓。


即使參與者獲得專家資格,在數十小時的培訓中,他們的表現仍然可以緩慢提高,這一事實也激起了團隊的興趣。為了真正充分利用外骨骼,研究人員可能需要研究人們的身體自身是如何適應的,例如,肌肉加強的方式以更好地利用設備。


目前,柯林斯和他的實驗室正在研究如何加快專業知識的獲取,包括與斯坦福大學計算機科學家 Emma Brunskill 的合作。他對外骨骼成為許多人生活中司空見慣的設備的潛力越來越樂觀。


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