In experimenten met 11 valide mensen duurde het zogenaamde human-in-the-loop-algoritme ongeveer een uur om het exoskelet te optimaliseren en daarna verminderde het de hoeveelheid energie die deelnemers nodig hadden om met 24 procent te lopen, zei gemiddeld lid van het onderzoeksteam Rachel Jackson, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde van de Carnegie Mellon University (CMU).
"De omvang van de reductie was behoorlijk verbazingwekkend", vertelde Jackson aan WordsSideKick.com.
Jackson en haar collega's, onder leiding van Steven Collins, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde bij CMU, en Juanjuan Zhang, voorheen CMU en nu professor aan de Nankai University in China, publiceerden de resultaten van hun onderzoek vandaag (22 juni) online in het tijdschrift Wetenschap.
Een lichtere belasting is zeker aantrekkelijk, maar een persoonlijk exoskelet kan ook de afstand vergroten die een valide persoon kan lopen, en het kan zelfs individuen helpen sneller te rennen, zei Jackson.
Mensen met fysieke beperkingen, zoals mensen die een beroerte, een neurologisch letsel of een amputatie hebben opgelopen, kunnen ook voordelen realiseren, zei Jackson. Een persoonlijk exoskelet zou het lopen net zo gemakkelijk of gemakkelijker kunnen maken dan vóór een amputatie of letsel, zei ze.
Eerder waren de grootste gemiddelde energiereducties die door andere onderzoeksteams werden behaald 14,5 procent, met handmatig aangepaste enkel-exoskeletten die op beide benen werden gedragen, en 22,8 procent, met een exosuit dat op beide heupen en beide enkels werkte met voorgeprogrammeerde instellingen.
Maar het CMU human-in-the-loop-algoritme presteerde beter en vertrouwde niet op voorprogrammering.
"Dit algoritme was zo goed dat het met slechts één apparaat een ondersteuningsstrategie kon ontdekken om de energiekosten te verlagen", aldus Jackson. 'Dat was best gaaf.'
De uitdaging met exoskeletten is dat hoewel ze bedoeld zijn om een persoon te helpen, ze beweging kunnen belemmeren, zei Jackson. Om te beginnen heeft elk apparaat zijn eigen gewicht, variërend van een paar gram tot een paar pond, en de gebruiker moet dat gewicht dragen. Exoskeletten zijn ook ontworpen om kracht uit te oefenen op bepaalde delen van het lichaam, maar als de timing van de kracht afwijkt, moet de persoon mogelijk meer energie gebruiken om te bewegen, zei Jackson. En dat werkt averechts.
Tijdens de optimalisatiefase van de recente studie droeg elke deelnemer een enkel exoskelet en een masker dat was ontworpen om het zuurstof- en kooldioxidegehalte (CO2) te meten. Deze maatregelen hebben betrekking op hoeveel energie de persoon uitgeeft. Terwijl elke persoon in een gestaag tempo op een loopband liep, paste het exoskelet een reeks verschillende ondersteuningspatronen toe op de enkels en tenen.
Die patronen waren een combinatie van wanneer de kracht werd uitgeoefend en de hoeveelheid kracht. Zo kunnen krachten vroeg in een houding worden toegepast (wanneer de hiel voor het eerst de grond raakt), in het midden van de houding (wanneer de voet plat is) of laat in de houding (wanneer de voet tot aan de teen is opgerold). Tijdens die variaties in posities kan er meer of minder kracht worden uitgeoefend.
Het algoritme testte de reacties van de deelnemers op 32 verschillende patronen, die elke 2 minuten veranderden. Vervolgens werd gemeten of het patroon het voor de persoon gemakkelijker of moeilijker maakte om te lopen.
Aan het einde van de sessie, die iets langer dan een uur duurde, produceerde het algoritme een uniek patroon van ondersteuning dat voor elk individu was geoptimaliseerd.
"In termen van de algemene vorm van de patronen was er grote variabiliteit, wat spreekt over het belang van het aanpassen van deze strategieën aan elke persoon, in plaats van dat voor iedereen hetzelfde toe te passen," zei Jackson.
Ze voegde eraan toe dat het apparaat mogelijk goed werkte, niet alleen omdat het 'aan het leren was', maar ook omdat de persoon die het gebruikte, ook aan het leren was omdat het het patroon van assistentie veranderde.
"We denken dat het mensen dwingt verschillende manieren te verkennen om hun manier van lopen te coördineren om beter met het apparaat om te gaan," zei Jackson. Dat helpt de persoon te begeleiden hoe hij het apparaat het beste kan gebruiken en er het meeste voordeel uit te halen. 'Het is tweerichtingsverkeer', zei ze.
Andere teamleden zijn van plan om te testen hoe het algoritme kan worden opgeschaald om een exoskelet te creëren met zes gewrichten, ontworpen om op de hele onderste helft van het lichaam te worden gedragen.
