Gepersonaliseerde exosuit voor wandelen in de echte wereld

Mensen lopen zelden met een constante snelheid en een enkele helling. We veranderen van snelheid wanneer we ons haasten naar de volgende afspraak, een zebrapadsignaal opvangen of een ontspannen wandeling in het park maken. Hellingen veranderen ook voortdurend, of we nu gaan wandelen of een helling opgaan naar een gebouw. Naast omgevingsvariabelen, wordt onze manier van lopen beïnvloed door geslacht, lengte, leeftijd en spierkracht, en soms door neurale of spieraandoeningen zoals een beroerte of de ziekte van Parkinson.

Deze variabiliteit tussen mens en taak is een grote uitdaging bij het ontwerpen van draagbare robotica om het lopen in reële omstandigheden te ondersteunen of te verbeteren. Tot op heden vereist het aanpassen van draagbare robothulp aan het lopen van een persoon uren aan handmatige of automatische afstemming - een vervelende taak voor gezonde personen en vaak onmogelijk voor oudere volwassenen of klinische patiënten.

Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld waarbij robotische exosuit-assistentie kan worden gekalibreerd voor een persoon en in een kwestie van seconden kan worden aangepast aan een verscheidenheid aan looptaken in de echte wereld. Het bio-geïnspireerde systeem maakt gebruik van ultrasone metingen van spierdynamiek om een ​​persoonlijk en activiteitspecifiek hulpprofiel te ontwikkelen voor gebruikers van het exosuit.

Eerdere bio-geïnspireerde pogingen om geïndividualiseerde hulpprofielen voor robot-exosuits te ontwikkelen, waren gericht op de dynamische bewegingen van de ledematen van de drager. De SEAS-onderzoekers pakten het anders aan.

Er is niet noodzakelijk een directe afbeelding tussen de beweging van de ledematen en die van de onderliggende spieren die hun beweging aandrijven. Dus, om de spierdynamiek te bestuderen, bond het team een ​​draagbaar echografiesysteem vast aan de kuiten van deelnemers en beeldden ze hun spieren af ​​terwijl ze een reeks looptaken uitvoerden.

Op basis van deze vooraf opgenomen beelden schatten ze de ondersteunende kracht die parallel met de kuitspieren moet worden uitgeoefend om het extra werk te compenseren dat ze moeten uitvoeren tijdens de afzetfase van de loopcyclus. Het nieuwe systeem hoeft maar een paar seconden te lopen - zelfs één stap kan voldoende zijn om het spierprofiel vast te leggen.

Voor elk van de door ultrageluid gegenereerde profielen maten de onderzoekers vervolgens hoeveel metabolische energie de persoon gebruikte tijdens het lopen met en zonder het exosuit. Ze ontdekten dat de op spieren gebaseerde hulp van het exosuit de metabolische energie van het lopen over verschillende loopsnelheden en hellingen aanzienlijk verminderde.

Het exosuit paste ook een lagere hulpkracht toe om hetzelfde of verbeterde metabolische energievoordeel te behalen dan is vastgelegd in eerder gepubliceerde onderzoeken. "Door de spier direct te meten, kunnen we intuïtiever werken met de persoon die het exosuit gebruikt", zegt afgestudeerde student Sangjun Lee. "Met deze aanpak overweldigt het exosuit de drager niet, het werkt samen met hen." Toen het werd getest in echte situaties, kon het exosuit zich snel aanpassen aan veranderingen in loopsnelheid en hellingshoek.

Vervolgens wil het onderzoeksteam het systeem testen door constante, realtime aanpassingen door te voeren.