在未来，以智能纺织品为基础软exosuit可由士兵、消防队员和救援人员穿戴，帮助他们穿越地形复杂的地区，及时抵达目的地，以便更有效地执行各自的任务。它们还可以成为增强神经退行性疾病患者和老年人活动能力和生活质量的有力手段。
康纳·沃尔什的团队威斯生物启发工程研究所在哈佛大学和哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)一直走在开发不同软可穿戴机器人设备的前沿，这些设备通过对身体的关键关节施加机械力来支持移动，包括踝关节或髋关节，或者在多关节软外服的情况下，两者都是。由于其在战场上缓解士兵负担过重的潜力，美国国防高级研究计划局(DARPA)资助了这种软外服，作为其前战士网络计划的一部分。
虽然研究人员已经证明，基于实验室版本的软外套可以为佩戴者提供明显的好处，允许他们在行走和跑步时花费更少的能量，但仍然需要适合在现实世界中使用的完全可穿戴的外套。
现在，在2018年IEEE机器人与自动化国际会议(ICRA)的会议记录中报告的一项研究中，该团队展示了他们最新一代的移动多关节外服，该装备在各方面都得到了改进，并在不平整的地形上进行了长时间的实地测试。在第二项发表在神经工程与康复杂志(JNER)，研究人员开发了一种自动调节方法，根据个人身体对它的反应来定制它的帮助，并证明了显著的能源节约。
这种多关节的软外套由在腰部、大腿和小腿处穿戴的纺织服装部件组成。通过在腰部附近佩戴并集成到军用背包的优化移动驱动系统，机械力通过电缆传输，通过外骨骼的软组件引导到踝关节和髋关节。这样，在行走周期中，这套外服增加了脚踝和臀部的力量，以帮助腿部运动。
“我们更新了这款新版本的多关节软外服的所有部件:服装更加人性化，易于穿戴，适合不同的体型;驱动更强劲，更轻，更安静，更小;而控制系统可以让我们对臀部和脚踝施加更有力、更持久的力，”ICRA研究的合著者、沃尔什团队的员工工程师戴维·佩里(David Perry)说。作为DARPA项目的一部分，这套装备在马里兰州阿伯丁进行了实地测试，与美国陆军研究实验室(Army Research Labs)合作，士兵们在那里行走了12英里的越野路线。
“我们之前证明了在线优化方法是可能的，通过在实验室量化节能，自动个性化的控制参数对不同的佩戴者。然而,我们需要一种方法来快速有效地调整控制参数的不同步态的士兵在军队外部实验室,”沃尔什博士说,核心教员Wyss研究所的约翰·l·勒布,工程和应用科学学院副教授,哈佛大学生物设计实验室的创始人。
在JNER的研究中，该团队提出了一种合适的新调谐方法，使用exosuit传感器优化踝关节的正能量传输。当穿戴者开始行走时，该系统测量功率，并逐渐调整控制器参数，直到根据穿戴者的个人步态力学，找到那些能最大限度地发挥穿戴服效果的参数。该方法可作为精细能量测量的替代方法。
“我们评估的七个研究参与者穿着exosuits代谢参数进行调优过程,发现该方法行走的代谢消耗减少了约14.8%相比,走路没有设备和22%相比,行走装置无动力的,”李Sangjun说,他是这两项研究的第一作者，也是沃尔什在SEAS的研究生。
“这些研究代表了我们darpa资助的努力的令人兴奋的顶点。我们现在正在继续优化该技术，以适应陆军的特殊用途，因为动态移动非常重要;我们正在探索用它来帮助工厂里从事繁重体力劳动的工人。”“此外，该领域已经认识到，在人类和可穿戴机器人共同适应的基础科学上，仍有很多东西需要了解。未来的协同优化策略和新的训练方法可能有助于进一步增强个性化效果，使最初对外服反应较差的佩戴者也能适应它们，并从它们的帮助中受益。”
“This research marks an important point in the Wyss Institute’s Bioinspired Soft Robotics Initiative and its development of soft exosuits in that it opens a path on which robotic devices could be adopted and personalized in real world scenarios by healthy and disabled wearers,” said Wyss Institute Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.D., who is also the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children’s Hospital, and Professor of Bioengineering at SEAS.
编者按:本文转载自威斯生物启发工程研究所在哈佛大学。
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