Роботизированные ботинки, обеспечивающие сверхчеловеческие рефлексы, помогут вам сохранить равновесие. Наше новое исследование показывает, что ключом к улучшению баланса являются ботинки, которые могут действовать быстрее, чем время реакции человека.
Когда люди поскальзываются или спотыкаются, их реакции на восстановление равновесия намного медленнее, чем могут действовать некоторые машины. Для людей и других животных с ногами биологическим датчикам требуется время , чтобы отправить сигналы в нервную систему, а затем включить мышцы. Роботы могут действовать намного быстрее, используя для передачи сигналов провода вместо нервов.
Но роботы по-прежнему плохо балансируют, потому что они еще не могут имитировать реакцию людей, когда их равновесие нарушается. Мы инженеры -биомеханики и исследователи физиологии реабилитации , изучающие нейрофизиологию движения. В нашем исследовании мы стремились ответить на вопрос, могут ли носимые роботы, такие как экзоскелеты или протезы нижних конечностей с электроприводом, улучшать баланс сверх нормального базового уровня.
Мы использовали моторизованный пол, чтобы буквально «выдергивать коврик» из-под здоровых молодых участников, подталкивая их вперед к земле. Мы просили их сохранять равновесие, поставив ноги на место, но иногда скольжение было настолько большим, что им приходилось делать шаг, чтобы избежать удара лицом о землю. Затем мы запрограммировали экзо-сапоги так, чтобы они оказывали помощь участникам либо с той же задержкой, что и их естественная реакция, либо искусственно быстрее, чем это возможно для человека, и сравнили это с полным отсутствием помощи экзо-сапог.
Мы были удивлены, обнаружив, что только режим, обыгрывающий человеческую реакцию на удар, помогал пользователям быстрее восстанавливать равновесие и не позволял им сделать шаг к восстановлению.
В то же время мы записали физиологические реакции наших «пилотов-испытателей» экзо-ботинок, чтобы увидеть, имитирует ли устройство их основные реакции баланса или потенциально мешает им. С помощью ультразвука мы могли заглянуть под кожу, чтобы увидеть, как растягиваются икроножные мышцы во время скольжения. Растяжение мышц генерирует важные сенсорные сигналы, необходимые нервной системе для инициирования реакции баланса.
Быстрая, чем у человека, реакция равновесия экзо-ботинка фактически устраняла сигналы растяжения икроножных мышц , но контрольные сигналы к тем же мышцам в ответ на нервную систему в целом сохранялись. Это открытие подчеркивает, что нервная система представляет собой нечто большее, чем набор простых рефлексов, которые реагируют на локальное растяжение мышц, но вместо этого собирает информацию со всего тела, чтобы оставаться в вертикальном положении как при стоянии , так и при ходьбе.
Люди склонны воспринимать баланс как должное. Но на каждом шагу есть вероятность падения, а неудачные падения — главная причина ухудшения здоровья с возрастом. Если исследователи смогут разработать вспомогательные технологии для улучшения равновесия при перемещении из одного положения в другое, это может предотвратить падения и позволить людям дольше оставаться активными.
Какие другие связанные исследования проводятся в этой области
Использование носимых роботов для обеспечения мобильности, особенно равновесия, давно было мечтой ученых и инженеров. Но исследования на сегодняшний день сосредоточены в первую очередь на обеспечении механической помощи, чтобы облегчить ходьбу быстрее или дольше . Помимо нескольких многообещающих лабораторных исследовательских устройств , область носимых роботов не уделяла особого внимания балансу.
Технологические достижения последнего десятилетия открывают перед современными носимыми роботами новые возможности для улучшения баланса. Другие исследователи по всему миру также адаптируют существующие системы экзоскелетов, чтобы помочь балансировать, используя биологически вдохновленные алгоритмы управления , которые со временем могут реагировать быстрее, чем рефлекторная реакция человека.
Наше исследование является доказательством концепции, демонстрирующей, что экзоскелеты могут улучшать равновесие в контролируемых лабораторных условиях во время простой вертикальной задачи для молодых людей без проблем с равновесием. Многое еще предстоит сделать, чтобы носимые роботы помогали сохранять равновесие в повседневной жизни и улучшали жизнь людей с нарушениями равновесия, таких как пожилые люди или люди с инсультом или травмами спинного мозга. Будущие исследования потребуются для изучения использования экзоскелетов в других суставах нижних конечностей, таких как колено и бедро, для разработки искусственного интеллекта, которые смогут предвидеть риск падения и обеспечить персонализированный сверхчеловеческий баланс.
