在實驗室測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，與正常速度相比，優(yōu)化的腳踝外骨骼系統(tǒng)使參與者的步行速度提高了約 40%。研究人員希望有一天能幫助老年人恢復(fù)步行速度。

無法快速行走可能會令人沮喪和成問題，但這是一個常見問題，尤其是隨著人們年齡的增長。斯坦福大學(xué)的工程師注意到普遍存在的步行速度比預(yù)期慢，他們測試了他們開發(fā)的原型外骨骼系統(tǒng)——連接到脛骨和跑鞋——在一項實驗中提高了人們自主選擇的步行速度環(huán)境。

外骨骼由電機(jī)外部供電并由算法控制。當(dāng)研究人員針對速度對其進(jìn)行優(yōu)化時，參與者的步行速度平均比他們穿著普通鞋子且沒有外骨骼時快 42%。這項研究的結(jié)果 發(fā)表 在IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 上。

斯坦福大學(xué)機(jī)械工程副教授、該論文的資深作者史蒂夫柯林斯說：“我們希望通過外骨骼輔助可以提高步行速度，但我們真的很驚訝地發(fā)現(xiàn)了如此大的改進(jìn) 。” “百分之四十是巨大的。”

對于這組最初的實驗，參與者是年輕、健康的成年人。鑒于他們令人印象深刻的結(jié)果，研究人員計劃在未來對老年人進(jìn)行測試，并研究可以改進(jìn)外骨骼設(shè)計的其他方式。他們還希望最終創(chuàng)造出一種可以在實驗室外工作的外骨骼，盡管這個目標(biāo)還有很長的路要走。

“我的研究任務(wù)是了解人類運動背后的生物力學(xué)和運動控制科學(xué)，并將其應(yīng)用于提高人類在日常生活中的身體機(jī)能，”機(jī)械工程博士后、該論文的第一作者 Seungmoon Song 說。“我認(rèn)為外骨骼是非常有前途的工具，可以提高身體的生活質(zhì)量。”

在循環(huán)中行走

本研究中測試的腳踝外骨骼系統(tǒng)是一個實驗?zāi)M器，可用作嘗試不同設(shè)計的測試平臺。它有一個框架，可以固定在上脛骨周圍，并固定在參與者穿著的集成跑鞋中。它連接到位于步行表面旁邊的大型電機(jī)上，并拉動一條沿著外骨骼后部延伸的系繩。在算法的控制下，系繩將佩戴者的腳后跟向上拉，幫助他們在離開地面時將腳趾指向下方。

在這項研究中，研究人員讓 10 名參與者以五種不同的操作模式行走。他們穿著沒有外骨骼的普通鞋子走路，外骨骼關(guān)閉，外骨骼打開，三種不同的模式：優(yōu)化速度，優(yōu)化能源使用，以及調(diào)整后的安慰劑模式，使他們走得更慢。在所有測試中，參與者都在適合他們速度的跑步機(jī)上行走。

針對速度進(jìn)行了優(yōu)化的模式——導(dǎo)致步行速度增加了 42%——是通過人工參與的過程創(chuàng)建的。一種算法在用戶行走時反復(fù)調(diào)整外骨骼設(shè)置，目的是通過每次調(diào)整提高用戶的速度。找到速度優(yōu)化的操作模式需要大約 150 輪調(diào)整和每人兩個小時。

除了大大提高步行速度外，速度優(yōu)化模式還減少了能源消耗，每走一米大約減少 2%。然而，這個結(jié)果因人而異，這在某種程度上是預(yù)料之中的，因為它不是外骨骼模式的故意特征。

“這項研究旨在專門回答有關(guān)提高步行速度的科學(xué)問題，”宋說。“我們不太關(guān)心其他性能指標(biāo)，比如舒適度或能源。然而，十分之七的參與者不僅走得更快，而且消耗的能量更少，這確實表明外骨骼在以有效的方式幫助人們方面有多大潛力。”

專門為能源使用優(yōu)化的設(shè)置是從之前的實驗中借用的。在當(dāng)前的研究中，這種模式比速度優(yōu)化設(shè)置減少了更多的能源消耗，但并沒有增加那么多的速度。正如預(yù)期的那樣，安慰劑模式既減慢了參與者的速度，又增加了他們的能量消耗。

更好、更快、更強

現(xiàn)在研究人員已經(jīng)獲得了如此重要的速度幫助，他們計劃將腳踝外骨骼模擬器的未來版本集中在減少用戶的能源使用上，同時也更舒適。

在專門考慮老年人時，柯林斯和他的實驗室想知道未來的設(shè)計是否可以減輕關(guān)節(jié)重量引起的疼痛或改善平衡。他們計劃對老年人進(jìn)行類似的步行測試，并希望這些測試也能提供令人鼓舞的結(jié)果。

“速度提高 40% 比年輕人和老年人之間的差異還要大，”柯林斯說。“因此，像這樣的設(shè)備可能不僅可以恢復(fù)而且 提高 老年人自主選擇的步行速度，這是我們接下來很高興測試的東西。”

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