Kiedy Conor Walsh był studentem MIT, działał jako pilot testowy programu egzoszkieletowego swojego profesora. Mocne, sztywne urządzenie było trudne do noszenia i pracy z powodu sposobu, w jaki musiało się komunikować z ciałem, zmuszając ciało użytkownika do dostosowania się do struktury urządzenia, a nie odwrotnie.
W końcu Walsh przeprowadził się na Harvard i rozpoczął własne badania nad egzoszkieletami. Ale skupił się na pracy nad miękkimi, giętkimi systemami wspomagającymi ruch. Po pięciu latach pracy jego kombinezony pomogły piechurom poruszać się o 20 do 25 procent bardziej wydajnie, zgodnie z jego badaniami opublikowanymi niedawno w Science Robotics .
„Podejście, które przyjmujemy, a także inne grupy zaczynają przyjmować, czy możesz zapewnić pomoc od małej do umiarkowanej, ale za pomocą bardzo lekkiej i nieograniczonej platformy?” Mówi Walsh.
Aparat oparty jest na kablu, który pomaga w ruchu dwóch różnych stawów, kostki i biodra. Użytkownik nosi uprząż w talii, a pasy rozciągają się od tej uprzęży do szelek wokół każdej łydki. Kabel biegnie od pięty do koła pasowego na łydce, a następnie do małego silnika. (Na razie trzymał silnik i źródło zasilania zamontowane gdzie indziej, aby uprościć badanie).
Żyroskopowe czujniki zamontowane na stopach przesyłają dane do mikrokontrolera, który interpretuje krok spacerowicza i włącza silnik w odpowiednim czasie. Gdy silnik zatacza się w kablu, ciągnie on piętę, pomagając w kroku (zwanym zgięciem podeszwy). Pas biodrowy służy dwóm celom; działa jako podparcie, więc cielę nie musi wywierać tak dużego nacisku, ale także pomaga stawowi biodrowemu, ponieważ siła z koła pasowego jest przenoszona w górę za pomocą pasów.
Walsh i jego współautorzy prowadzili aparat przy czterech różnych poziomach mocy, aby zobaczyć, co było najbardziej wydajne.
„Głównym celem tego badania było przyjrzenie się, ponieważ zwiększamy ilość pomocy, jaką udzielamy osobie… jakie rodzaje reakcji widzimy od tej osoby?” Mówi Walsh.
Okazało się, że nawet na najwyższym poziomie asysty (mierzonej siłą przyłożoną jako procent masy ciała, maksymalnie 75 procent), nie widzieli plateau; wydajność mierzona ilością tlenu zużytego przez uczestników podczas chodzenia ciągle rosła.
„To, co sugerują jego dane, polega na tym, że gdy będziesz próbował dodawać więcej pomocy, może nie istnieć żaden limit, żadna granica, o ile moglibyśmy poprawić przebieg gazu, jeśli tak, ” mówi Greg Sawicki. Sawicki pracuje również jako asystent chodzenia, jako profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej na University of North Carolina. Jego urządzenia oparte są na małym, lekkim, sztywnym egzoszkieletu - czasami napędzanym, czasem uruchamianym przez sprężynę - które pasują do kostki.
„W naszych badaniach znaleźliśmy inny wynik, polegający na tym, że często dochody maleją” - mówi. „Dobrze sobie radzisz do pewnego momentu, a jeśli dajesz za dużo, wydajność systemu człowiek-maszyna zaczyna spadać.” Podejrzewa, że pewna różnica wynika z wielostawowej architektury Walsha i tego, jak zawiera ruch bioder.
Prace Walsha i Sawickiego zostały zastosowane w medycynie, pomagając ofiarom udaru mózgu lub pacjentom ze stwardnieniem rozsianym lub innymi urazami i chorobami związanymi z wiekiem w zwiększeniu ich mobilności. Walsh współpracuje z ReWalk Robotics w celu opracowania systemów dla tych aplikacji. Ale jest też druga ważna aplikacja, która pomogła Walshowi uzyskać fundusze DARPA: żołnierze pakujący ciężki sprzęt mogli kiedyś użyć takich kombinezonów, aby pomóc im iść dalej, nieść więcej i odczuwać mniejsze zmęczenie.
Dążąc do osiągnięcia obu celów, Walsh udoskonala tkaniny, systemy uruchamiające i sterowniki, aby takie kombinezony były bardziej realistyczne poza laboratorium. „Postępy w tej dziedzinie wynikają z współpracy z ludźmi, którzy rozumieją człowieka, fizjologię, biomechanikę oraz ludźmi, którzy rozumieją robotykę i aspekt technologiczny”, mówi. Jest to podejście interdyscyplinarne, obejmujące projektowanie i ergonomię, ale także biomechanikę, inżynierię oprogramowania i robotykę. Każdy idzie trochę inaczej, więc system musi być co najmniej częściowo konfigurowalny. A potem jest ciężar.
„Największym wyzwaniem jest gęstość mocy aktywacji” - mówi Sawicki, wskazując, że montaż akumulatorów i silników na chodziku zamiast zdalnie na pobliskim stojaku, podobnie jak Walsh, może obniżyć wydajność. Dopóki technologia akumulatorów i silników nie ulegnie poprawie, jakikolwiek wzrost mocy wymaga zwiększenia masy, co jest na razie nieodłącznym elementem wszystkich takich chodzików. „Istnieje podstawowa zasada, że jeśli chcesz być silniejszy, musisz być cięższy, jeśli chodzi o silniki”.
