実世界のウォーキングのためのパーソナライズされたExosuit

人々が一定の速度と単一の傾斜で歩くことはめったにありません。次の予定に急いでいるとき、横断歩道の信号をキャッチしているとき、または公園を散歩するときに速度を変更します。ハイキングをする場合でも、建物へのスロープを上る場合でも、傾斜は常に変化します。環境の変化に加えて、私たちの歩き方は、性別、身長、年齢、筋力の影響を受け、脳卒中やパーキンソン病などの神経障害や筋肉障害の影響を受けることもあります。

この人間とタスクの変動性は、実世界の条件での歩行を支援または増強するウェアラブルロボット工学を設計する上での主要な課題です。これまで、個人の歩行に合わせてウェアラブルロボット支援をカスタマイズするには、何時間もの手動または自動調整が必要です。これは、健康な個人にとっては退屈な作業であり、高齢者や臨床患者にとっては不可能なことがよくあります。

ハーバードジョンA.ポールソン工学応用科学大学院（SEAS）の研究者は、ロボットのエクソスーツ支援を個人に合わせて調整し、数秒でさまざまな実世界の歩行タスクに適応できる新しいアプローチを開発しました。バイオインスパイアードシステムは、筋肉ダイナミクスの超音波測定を使用して、エクソスーツのユーザー向けにパーソナライズされたアクティビティ固有の支援プロファイルを開発します。

着用者の手足の動的な動きに焦点を当てたロボットエキソスーツの個別の支援プロファイルを開発するための以前のバイオインスパイアードの試み。 SEASの研究者は別のアプローチを取りました。

手足の動きと、その動きを駆動する下にある筋肉の動きとの間には、必ずしも直接的なマッピングはありません。そこで、筋肉のダイナミクスを研究するために、チームは携帯型超音波システムを参加者の子牛にストラップで固定し、一連の歩行タスクを実行しながら筋肉を画像化しました。

これらの事前に記録された画像から、彼らは、歩行サイクルのプッシュオフ段階で実行する必要のある追加の作業を相殺するために、ふくらはぎの筋肉と平行に加えられる補助力を推定しました。新しいシステムでは、数秒の歩行しか必要ありません。筋肉のプロファイルをキャプチャするには、1歩でも十分な場合があります。

次に、超音波で生成されたプロファイルのそれぞれについて、研究者は、エクソスーツの有無にかかわらず、歩行中に人が使用した代謝エネルギーの量を測定しました。彼らは、エクソスーツによって提供される筋肉ベースの支援が、さまざまな歩行速度と傾斜を横切って歩くことの代謝エネルギーを大幅に減少させることを発見しました。

エキソスーツはまた、以前に発表された研究で記録されたものと同じまたは改善された代謝エネルギーの利益を達成するために、より低い支援力を適用しました。 「筋肉を直接測定することで、エクソスーツを使用している人とより直感的に作業することができます」と大学院生のリー・サンジュンは述べています。 「このアプローチでは、エクソスーツは着用者を圧倒することはなく、着用者と協力して機能します。」実際の状況でテストした場合、エクソスーツは歩行速度と傾斜の変化にすばやく適応することができました。

次に、研究チームは、システムをテストして、一定のリアルタイム調整を行うことを目指しています。