Exoskeletten zijn apparaten die worden gedragen voor bescherming of ondersteuning, zoals een harnas of een helm. Die en andere passieve apparaten bestaan ​​al millennia, maar de onderzoekers van vandaag ontwikkelen aangedreven exoskeletsystemen die, in de toekomst, zou mensen naar nieuwe niveaus van kracht en uithoudingsvermogen kunnen brengen.

Door extra vermogen te leveren, ze kunnen het uithoudingsvermogen van soldaten op het slagveld verbeteren of werknemers helpen taken gemakkelijker en veiliger uit te voeren. Ze kunnen ook gewonde en gehandicapte mensen helpen hun onafhankelijkheid terug te krijgen.

Maar om de volgende generatie exoskeletten te laten werken, we moeten onze ideeën over hoe draagbare systemen omgaan met de mensen die ze gebruiken, heroverwegen. Universitair hoofddocent Leia Stirling doet precies dat in de U-M Department of Industrial Operations and Engineering. Voorheen bij de luchtvaartafdeling van het MIT, Stirlings menselijke factoren bij U-M werpen nieuw licht op hoe aangedreven exoskeletten de manier waarop hun dragers denken en bewegen veranderen. Stirlings laatste paper is getiteld "Static, Dynamisch, en Cognitive Fit of Exosystems for the Human Operator." We hebben onlangs met haar gesproken om meer over haar werk te weten te komen.

We hebben allemaal veel exoskeletten gezien in films als Iron Man en RoboCop. Zijn dat het soort systemen waar je aan werkt?

Niet precies - ik denk dat exoskeletten voor het hele lichaam nog ver weg zijn. Ondertussen, Hoewel, er zijn beperktere aangedreven exoskelettoepassingen die mensen kunnen helpen met specifieke bewegingen, zoals het toevoegen van steun en kracht aan een enkel of een knie. Dat zijn de laaghangende vruchten, en we beginnen deze systemen commercieel te zien. Maar er is nog veel werk aan de winkel voordat ze praktisch worden voor wijdverbreid gebruik.

Waarom zijn zelfs enkelvoudig aangedreven exoskeletten zo veel complexer dan passieve systemen?

Als we kracht toevoegen aan zelfs een eenvoudig exoskelet, we moeten er minder over gaan denken als een kledingstuk en meer als een heel klein voertuig. Toen ik een exoskelet aantrok, Ik zit erin en het ontroert me actief. We moeten er dus vanuit een menselijk perspectief over nadenken:hoe kan de gebruiker dat voertuig het meest efficiënt en veilig besturen?

Dat is een afwijking van het verleden, waar exoskeletonderzoekers zich vooral richtten op de mechanica van de apparaten. En het betekent dat onderzoekers op het gebied van menselijke factoren zoals ik moeten samenwerken met mechanische ingenieurs om deze machines naar een hoger niveau te tillen.

Hoe weet je dat aangedreven systemen de drager anders beïnvloeden dan de beugels en andere apparaten die we al jaren hebben?

Alle systemen kunnen van invloed zijn op de manier waarop we ons verplaatsen en aangedreven systemen vormen daarop geen uitzondering. Bijvoorbeeld, niet lang geleden, we deden een onderzoek waarbij deelnemers een eenvoudig aangedreven exoskelet droegen - een die extra kracht voor de enkel leverde terwijl ze hun voet van de grond duwden tijdens het lopen. We hebben het aangezet, en we ontdekten dat verschillende deelnemers die boost heel anders gebruikten toen ze zich aanpasten aan het systeem. Sommigen deden langere stappen, sommigen namen kortere stappen, sommige bleven hetzelfde. Sommigen gingen terug naar hun normale looppatroon nadat we de stroom hadden uitgezet, sommigen niet.

De studie toonde aan dat zelfs een kleine verandering de feedbacklus verandert die ons in staat stelt om door onze omgeving te navigeren. Deze veranderingen kunnen zowel bewust als onbewust plaatsvinden. We moeten begrijpen hoe deze aangedreven systemen onze waarneming beïnvloeden, kennis, en motorisch proces en hoe we de exoskeletten zo kunnen ontwerpen dat ze zich op de juiste manier aanpassen aan individuele gebruikers.

Hoe meet je of een aangedreven exoskelet "past" bij de drager?

We hebben het idee van 'passen' heroverwogen in een recent artikel dat we hebben gepubliceerd. We hebben het opgesplitst in drie afzonderlijke aspecten.

De eerste is "statische fit" - dit is wat we gewend zijn, zoals in hoe goed past dit apparaat bij de grootte en vorm van mijn lichaam als ik niet beweeg.

De tweede dimensie is "dynamische fit, " d.w.z. hoe goed het apparaat met mij meebeweegt. Beperkt het mijn beweging, en past het goed tijdens het hele bewegingsbereik dat ik voor een reeks taken moet uitvoeren?

De derde dimensie, en degene die we het minst gewend zijn, is "cognitieve fit". Deze dimensie meet hoe een apparaat dat ik draag de manier verandert waarop ik over beweging denk, zowel bewust als onbewust. Hoe interpreteer ik de feedback die ik van het apparaat krijg? En hoe kunnen de makers van een apparaat zijn feedback aanpassen aan de cognitieve processen van verschillende gebruikers?

Aangedreven exoskelet-apparaten bieden inherent tactiele feedback vanwege de manier waarop ze tijdens beweging krachten op het lichaam uitoefenen. Maar we kijken ook hoe we kunnen ontwerpen in expliciete feedback om gebruikers te helpen vertrouwen op te bouwen in de apparaten en ze gemakkelijker te gebruiken en efficiënt te maken.

Als we nu deze nieuwe factoren moeten overwegen, betekent dit dat we terrein verliezen op de weg naar nieuwe soorten exoskeletsystemen?

Integendeel, het identificeren van deze extra dimensies maakt allemaal deel uit van het proces van het bouwen van nieuwe soorten machines. Exoskeletten zijn echt interdisciplinaire systemen, dus het ontwerpen ervan vereist een unieke reeks vaardigheden. Dit onderzoek biedt een kader om dat mogelijk te maken.

In feite, een van de redenen waarom ik naar Michigan kwam, was dat al deze mensen vanuit al deze verschillende perspectieven aan exoskeletten dachten. Ik ben echt opgewonden om op een plek te zijn waar al deze mensen er vanuit verschillende hoeken naar kijken die kunnen samenwerken.