多功能便携式外套可协助行走和跑步

在悠闲地步行和为生命奔跑之间，人类的步态可以覆盖各种速度。通常，我们选择允许我们以给定速度消耗最少能量的步态。例如，在低速时，步行的代谢率低于慢速慢跑的代谢率; 反之亦然，高速行驶时的代谢率低于行走速度。

学术和工业实验室的研究人员之前已经开发出用于康复和其他生活领域的机器人设备，可以帮助步行或跑步，但没有不受限制的便携式设备可以有效地做到这两点。由于两个步态的生物力学根本不同，因此使用单个装置协助步行和跑步是具有挑战性的。然而，两个步态共同具有髋关节的延伸，其在脚与地面接触的时间开始并且需要相当大的能量来推动身体向前。

正如今天在科学报道的那样，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和内布拉斯加州奥马哈大学的一组研究人员现已开发出一种便携式外套，可协助步态 -在行走和跑步期间特定的髋部伸展。它们的轻质外套由腰部和大腿上的纺织部件制成，并且连接到下背部的移动致动系统由可以稳健地检测从步行到跑步的过渡的算法控制，反之亦然。

该团队首次表明，平均而言，用户在基于跑步机的室内测试中佩戴的外衣，与不使用该装置的步行和跑步相比，他们的行走代谢率降低了9.3%，跑步的代谢率降低了4%。“我们很高兴看到该设备在上坡行走期间，在不同的行驶速度和外部地上测试期间也表现良好，这表明该系统的多功能性，”领导该研究的Conor Walsh博士说。Walsh是Wyss Institute的核心教员，SEAS的Gordon McKay工程和应用科学教授，以及哈佛生物设计实验室的创始人。“虽然我们发现的代谢减少是适度的，但我们的研究表明，便携式可穿戴式机器人可以提供的帮助不仅仅是一项活动，

该视频演示了在不同自然环境中使用髋关节辅助设备的情况，并展示了机器人设备如何在行走和跑步期间感知质心的步态特定垂直运动的变化以快速调整其致动。图片来源：哈佛大​​学威斯学院

这款时尚外套是作为国防高级研究计划局(DARPA)前战士网络计划的一部分而开发的，是该团队多年研究和优化软外设技术的结晶。该团队开发的先前多关节外科手术可以在行走时协助髋关节和踝关节，并且通过与ReWalk的合作，旨在改善中风幸存者步态康复的外科医疗版本现已在美国和欧洲上市。机器人。

与过去的多关节外套相比，该团队最新的臀部辅助外套设计更简单，重量更轻。它通过电缆致动系统帮助佩戴者。致动线缆在腰带和大腿包裹物之间施加张力，以在髋关节处产生外部延伸扭矩，其与臀肌协同工作。该装置总重量为5千克，其重量的90%以上靠近身体的质心。“这种集中体重的方法，结合灵活的服装界面，最大限度地减少了对穿着者的能量负担和运动限制，”共同作者Jinsoo Kim说道，他是Walsh集团的SEAS研究生。“这对于步行很重要，但对于跑步来说更是如此，因为四肢来回移动的速度要快得多。”

轻盈多功能外套在上坡行走时以及在自然地形中以不同的跑步速度辅助髋部伸展。图片来源：哈佛大​​学威斯学院

团队必须解决的一个主要挑战是，exosuit需要能够区分步行和跑步步态，并相应地改变其动作配置文件，并在步态周期的正确时间提供适当的帮助。

为了解释步态周期中的不同动力学，生物力学家经常将步行与倒立摆的运动进行比较并运行到弹簧 - 质量系统的运动。在行走过程中，身体的质心在脚后跟撞击后向上移动，然后在站立阶段的中间达到最大高度，以便在站立阶段结束时下降。在跑步中，质心的运动是相反的。它在站立阶段的中间下降到最小高度，然后向上移向推出。

“我们利用这些生物力学见解来开发我们的生物学启发的步态分类算法，通过使用附着在身体上的传感器监测个体质心的加速度，可以稳健可靠地检测从一个步态到另一个步态的过渡。”共同通讯作者菲利普·马尔科姆博士说，他是内布拉斯加州奥马哈大学的助理教授。“一旦检测到步态转换，exosuit会自动调整其动作曲线的时间，以协助其他步态，正如我们通过其减少佩戴者代谢氧气消耗的能力所证明的那样。”

在正在进行的工作中，该团队致力于优化技术的各个方面，包括进一步减轻重量，个性化帮助和提高易用性。沃尔什说：“看到我们的方法走了多远，我感到非常满意。”我们很高兴继续将其应用于一系列应用，包括帮助那些有步态障碍的人，有可能受伤的行业工人任务，或休闲周末战士。“

“这项突破性的研究来自Wyss研究所的Bioinspired Soft Robotics平台，让我们可以看到未来可穿戴机器人设备可以改善健康生活，以及为受伤或需要康复的人提供服务，”Wyss Institute说。创始董事Donald Ingber，医学博士，博士，同时也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授，波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及SEAS的生物工程教授。