Tussen rustig wandelen en rennen voor je leven, menselijke gangen kunnen een breed scala aan snelheden bestrijken. Typisch, we kiezen het looppatroon dat ons in staat stelt om de minste hoeveelheid energie te verbruiken bij een bepaalde snelheid. Bijvoorbeeld, bij lage snelheden, de stofwisselingssnelheid van lopen is lager dan die van langzaam joggen; omgekeerd bij hoge snelheden, de stofwisseling van hardlopen is lager dan die van snelwandelen.

Onderzoekers in academische en industriële laboratoria hebben eerder robotapparaten ontwikkeld voor revalidatie en andere levensgebieden die kunnen helpen bij het lopen of rennen, maar geen enkel ongebonden draagbaar apparaat zou beide efficiënt kunnen doen. Assisteren bij lopen en rennen met een enkel apparaat is een uitdaging vanwege de fundamenteel verschillende biomechanica van de twee gangen. Echter, beide gangen hebben een extensie van het heupgewricht gemeen, die begint rond de tijd dat de voet in contact komt met de grond en veel energie vereist om het lichaam naar voren te stuwen.

Zoals vandaag gemeld in Wetenschap , een team van onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en de Universiteit van Nebraska Omaha heeft nu een draagbaar exosuit ontwikkeld dat helpt bij loopspecifieke heupextensie tijdens zowel lopen als hardlopen. Hun lichtgewicht exosuit is gemaakt van textielcomponenten die in de taille en dijen worden gedragen, en een mobiel bedieningssysteem bevestigd aan de onderrug dat wordt bestuurd door een algoritme dat de overgang van lopen naar hardlopen en vice versa robuust kan detecteren.

Het team toonde voor het eerst aan dat het exosuit dat door gebruikers wordt gedragen tijdens indoortests op loopbanden, gemiddeld, verminderden hun stofwisselingssnelheid van lopen met 9,3% en van hardlopen met 4% vergeleken met wanneer ze liepen en renden zonder het apparaat. "We waren verheugd om te zien dat het apparaat ook goed presteerde tijdens bergopwaarts lopen, bij verschillende rijsnelheden en tijdens bovengrondse testen buiten, waaruit de veelzijdigheid van het systeem bleek, " zei Conor Walsh, doctoraat, die de studie leidde. Walsh is een kernfaculteitslid van het Wyss Institute, de Gordon McKay Professor of Engineering and Applied Sciences bij SEAS, en oprichter van het Harvard Biodesign Lab. "Hoewel de metabole reducties die we vonden bescheiden zijn, onze studie toont aan dat het mogelijk is om een ​​draagbare draagbare robot meer te laten assisteren dan alleen een enkele activiteit, helpen om de weg vrij te maken voor deze systemen om alomtegenwoordig te worden in ons leven, ' zei Wals.

Het hippe exosuit is ontwikkeld als onderdeel van het voormalige Warrior Web-programma van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en is het resultaat van jarenlang onderzoek en optimalisatie van de zachte exosuit-technologie door het team. Een eerder door het team ontwikkeld exosuit met meerdere gewrichten kon zowel de heup als de enkel helpen tijdens het lopen, en een medische versie van het exosuit gericht op het verbeteren van de looprevalidatie voor mensen die een beroerte hebben gehad, is nu commercieel verkrijgbaar in de VS en Europa, via een samenwerking met ReWalk Robotics.

Het meest recente heupondersteunende exosuit van het team is ontworpen om eenvoudiger en lichter te zijn in vergelijking met hun eerdere exosuit met meerdere gewrichten. Het helpt de drager via een kabelbedieningssysteem. De bedieningskabels oefenen een trekkracht uit tussen de heupgordel en de dij-omslagen om een ​​extern extensiekoppel op het heupgewricht te genereren dat samenwerkt met de gluteale spieren. Het apparaat weegt in totaal 5 kg en meer dan 90% van zijn gewicht bevindt zich dicht bij het massamiddelpunt van het lichaam. "Deze benadering van het concentreren van het gewicht, gecombineerd met de flexibele kledinginterface minimaliseert de energetische belasting en bewegingsbeperking voor de drager, " zei co-eerste auteur Jinsoo Kim, een SEAS-afgestudeerde student in de groep van Walsh. "Dit is belangrijk voor het lopen, maar nog meer voor hardlopen omdat de ledematen veel sneller heen en weer bewegen." Kim deelde het eerste auteurschap met Giuk Lee, doctoraat, een voormalig postdoctoraal fellow in het team van Walsh en nu assistent-professor aan de Chung-Ang University in Seoul, Zuid-Korea.

Een grote uitdaging die het team moest oplossen, was dat het exosuit onderscheid moest kunnen maken tussen loop- en hardloopgangen en de activeringsprofielen dienovereenkomstig moest kunnen wijzigen met de juiste hoeveelheid hulp die op het juiste moment van de loopcyclus werd geboden.

Om de verschillende kinetiek tijdens de loopcycli uit te leggen, biomechanici vergelijken lopen vaak met de bewegingen van een omgekeerde slinger en rennen met de bewegingen van een veer-massasysteem. Tijdens het wandelen, het massamiddelpunt van het lichaam beweegt naar boven na een hielstoot, bereikt dan de maximale hoogte in het midden van de standfase om af te dalen tegen het einde van de standfase. tijdens het hardlopen, de beweging van het massamiddelpunt is tegengesteld. Het daalt naar een minimale hoogte in het midden van de standfase en gaat dan omhoog naar de afzet.

"We hebben gebruik gemaakt van deze biomechanische inzichten om ons biologisch geïnspireerde gangclassificatiealgoritme te ontwikkelen dat robuust en betrouwbaar een overgang van de ene gang naar de andere kan detecteren door de versnelling van het massamiddelpunt van een persoon te bewaken met sensoren die aan het lichaam zijn bevestigd, " zei co-corresponderende auteur Philippe Malcolm, doctoraat, Universitair docent aan de Universiteit van Nebraska Omaha. "Zodra een gangovergang wordt gedetecteerd, het exosuit past automatisch de timing van zijn activeringsprofiel aan om de andere gang te helpen, zoals we hebben aangetoond door het vermogen om het metabolische zuurstofverbruik bij dragers te verminderen."

Bij lopende werkzaamheden, het team is gericht op het optimaliseren van alle aspecten van de technologie, inclusief verdere gewichtsvermindering, het individualiseren van de hulp en het verbeteren van het gebruiksgemak. "Het is heel bevredigend om te zien hoe ver onze aanpak is gekomen, " zei Wals, "en we zijn verheugd om het verder toe te passen op een reeks toepassingen, inclusief het helpen van mensen met een loopstoornis, werknemers in de industrie met een risico op letsel die fysiek inspannende taken uitvoeren, of recreatieve weekendstrijders."

"Deze baanbrekende studie die voortkomt uit het Bioinspired Soft Robotics-platform van het Wyss Institute, geeft ons een kijkje in een toekomst waarin draagbare robotapparaten het leven van gezonde, evenals het dienen van mensen met verwondingen of die revalidatie nodig hebben, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de HMS is, het Vascular Biology Program in het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.