In de toekomst, slimme, op textiel gebaseerde zachte robot-exosuits kunnen door soldaten worden gedragen, brandweerlieden en reddingswerkers om hen te helpen moeilijk terrein te doorkruisen en vers op hun bestemming aan te komen, zodat ze hun respectieve taken effectiever kunnen uitvoeren. Ze kunnen ook een krachtig middel worden om de mobiliteit en kwaliteit van leven te verbeteren voor mensen die lijden aan neurodegeneratieve aandoeningen en voor ouderen.

Het team van Conor Walsh bij het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University en de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft een voortrekkersrol gespeeld bij de ontwikkeling van verschillende zachte draagbare robotapparaten die mobiliteit ondersteunen door mechanische krachten toe te passen op kritische gewrichten van het lichaam, inclusief aan de enkel- of heupgewrichten, of in het geval van een zacht exosuit met meerdere gewrichten beide. Vanwege het vermogen om overbelaste soldeer in het veld te ontlasten, het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) financierde de inspanningen van het team als onderdeel van het voormalige Warrior Web-programma.

Hoewel de onderzoekers hebben aangetoond dat laboratoriumversies van zachte exosuits duidelijke voordelen kunnen bieden aan dragers, waardoor ze minder energie verbruiken tijdens het lopen en rennen, er blijft behoefte aan volledig draagbare exosuits die geschikt zijn voor gebruik in de echte wereld.

Nutsvoorzieningen, in een studie gerapporteerd in de werkzaamheden van de 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), het team presenteerde hun nieuwste generatie van een mobiel exosuit met meerdere gewrichten, die op alle fronten is verbeterd en in het veld is getest door lange marsen over oneffen terrein. Hetzelfde exosuit gebruiken in een tweede studie gepubliceerd in de Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation ( JNER ), de onderzoekers ontwikkelden een automatische afstemmingsmethode om de hulp aan te passen op basis van hoe het lichaam van een persoon erop reageert, en toonde aanzienlijke energiebesparingen aan.

Het zachte exosuit met meerdere gewrichten bestaat uit kledingcomponenten van textiel die in de taille worden gedragen, dijen, en kalveren. Door een geoptimaliseerd mobiel bedieningssysteem dat in de buurt van de taille wordt gedragen en in een militaire rugzak is geïntegreerd, mechanische krachten worden overgebracht via kabels die door de zachte componenten van het exosuit naar enkel- en heupgewrichten worden geleid. Op deze manier, het exosuit voegt kracht toe aan de enkels en heupen om te helpen bij beenbewegingen tijdens de loopcyclus.

"We hebben alle componenten in deze nieuwe versie van het zachte exosuit met meerdere gewrichten geüpdatet:de kleding is gebruiksvriendelijker, gemakkelijk aan te trekken en geschikt voor verschillende lichaamsvormen; de bediening is robuuster, aansteker, stiller en kleiner; en het controlesysteem stelt ons in staat om krachtiger en consistenter krachten op heupen en enkels uit te oefenen, " zei David Perry, een co-auteur van de ICRA-studie en een Staff Engineer in het team van Walsh. Als onderdeel van het DARPA-programma, het exosuit is in de praktijk getest in Aberdeen, MD, in samenwerking met de Army Research Labs, waar soldaten door een langlaufparcours van 12 mijl liepen.

"We hebben eerder aangetoond dat het mogelijk is om online optimalisatiemethoden te gebruiken die, door energiebesparingen in het laboratorium te kwantificeren, automatisch de controleparameters voor verschillende dragers individualiseren. we hadden een middel nodig om controleparameters snel en efficiënt af te stemmen op de verschillende gangen van soldaten in het leger buiten een laboratorium, " zei Wals, doctoraat, Kernfaculteitslid van het Wyss Institute, de John L. Loeb Associate Professor of Engineering and Applied Sciences bij SEAS en oprichter, van het Harvard Biodesign Lab.

In de JNER-studie het team presenteerde een geschikte nieuwe afstemmingsmethode die exosuit-sensoren gebruikt om de positieve kracht die aan de enkelgewrichten wordt geleverd te optimaliseren. Wanneer een drager begint te lopen, het systeem meet het vermogen en past geleidelijk de parameters van de controller aan totdat het de parameters vindt die de effecten van het exosuit maximaliseren op basis van het individuele loopmechanisme van de drager. De methode kan worden gebruikt als een proxy-maat voor uitgebreide energiemetingen.

"We evalueerden de metabole parameters in de zeven studiedeelnemers die exosuits droegen die het afstemmingsproces ondergingen en ontdekten dat de methode de metabolische kosten van lopen met ongeveer 14,8% verminderde in vergelijking met lopen zonder het apparaat en met ongeveer 22% in vergelijking met lopen met het apparaat zonder stroom, " zei Sangjun Lee, de eerste auteur van beide studies en een Graduate Student met Walsh bij SEAS.

"Deze studies vertegenwoordigen het opwindende hoogtepunt van onze door DARPA gefinancierde inspanningen. We gaan nu door met het optimaliseren van de technologie voor specifieke toepassingen in het leger waar dynamische bewegingen belangrijk zijn; en we onderzoeken het voor het assisteren van arbeiders in fabrieken die zware fysieke taken uitvoeren, "zei Walsh. "Bovendien, het veld heeft ingezien dat er nog veel te begrijpen valt over de basiswetenschap van co-adaptatie van mensen en draagbare robots. Toekomstige strategieën voor co-optimalisatie en nieuwe trainingsbenaderingen kunnen de individualiseringseffecten verder helpen verbeteren en dragers die aanvankelijk slecht reageren op exosuits in staat stellen zich ook aan te passen en te profiteren van hun hulp".

"Dit onderzoek markeert een belangrijk punt in het Bioinspired Soft Robotics Initiative van het Wyss Institute en de ontwikkeling van zachte exosuits, omdat het een pad opent waarop robotapparaten kunnen worden gebruikt en gepersonaliseerd in echte scenario's door gezonde en gehandicapte dragers, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.