在悠閑地步行和為生命奔跑之間，人類的步態(tài)可以覆蓋各種速度。通常，我們選擇允許我們以給定速度消耗最少能量的步態(tài)。例如，在低速時(shí)，步行的代謝率低于慢速慢跑的代謝率; 反之亦然，高速行駛時(shí)的代謝率低于行走速度。

學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員之前已經(jīng)開發(fā)出用于康復(fù)和其他生活領(lǐng)域的機(jī)器人設(shè)備，可以幫助步行或跑步，但沒有不受限制的便攜式設(shè)備可以有效地做到這兩點(diǎn)。由于兩個(gè)步態(tài)的生物力學(xué)根本不同，因此使用單個(gè)裝置協(xié)助步行和跑步是具有挑戰(zhàn)性的。然而，兩個(gè)步態(tài)共同具有髖關(guān)節(jié)的延伸，其在腳與地面接觸的時(shí)間開始并且需要相當(dāng)大的能量來推動(dòng)身體向前。

正如今天在科學(xué)報(bào)道的那樣，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所和John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和內(nèi)布拉斯加州奧馬哈大學(xué)的一組研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種便攜式外套，可協(xié)助步態(tài) -在行走和跑步期間特定的髖部伸展。它們的輕質(zhì)外套由腰部和大腿上的紡織部件制成，并且連接到下背部的移動(dòng)致動(dòng)系統(tǒng)由可以穩(wěn)健地檢測從步行到跑步的過渡的算法控制，反之亦然。

該團(tuán)隊(duì)首次表明，平均而言，用戶在基于跑步機(jī)的室內(nèi)測試中佩戴的外衣，與不使用該裝置的步行和跑步相比，他們的行走代謝率降低了9.3%，跑步的代謝率降低了4%。“我們很高興看到該設(shè)備在上坡行走期間，在不同的行駛速度和外部地上測試期間也表現(xiàn)良好，這表明該系統(tǒng)的多功能性，”領(lǐng)導(dǎo)該研究的Conor Walsh博士說。Walsh是Wyss Institute的核心教員，SEAS的Gordon McKay工程和應(yīng)用科學(xué)教授，以及哈佛生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人。“雖然我們發(fā)現(xiàn)的代謝減少是適度的，但我們的研究表明，便攜式可穿戴式機(jī)器人可以提供的幫助不僅僅是一項(xiàng)活動(dòng)，

該視頻演示了在不同自然環(huán)境中使用髖關(guān)節(jié)輔助設(shè)備的情況，并展示了機(jī)器人設(shè)備如何在行走和跑步期間感知質(zhì)心的步態(tài)特定垂直運(yùn)動(dòng)的變化以快速調(diào)整其致動(dòng)。圖片來源：哈佛大??學(xué)威斯學(xué)院

這款時(shí)尚外套是作為國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)前戰(zhàn)士網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的一部分而開發(fā)的，是該團(tuán)隊(duì)多年研究和優(yōu)化軟外設(shè)技術(shù)的結(jié)晶。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的先前多關(guān)節(jié)外科手術(shù)可以在行走時(shí)協(xié)助髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并且通過與ReWalk的合作，旨在改善中風(fēng)幸存者步態(tài)康復(fù)的外科醫(yī)療版本現(xiàn)已在美國和歐洲上市。機(jī)器人。

與過去的多關(guān)節(jié)外套相比，該團(tuán)隊(duì)最新的臀部輔助外套設(shè)計(jì)更簡單，重量更輕。它通過電纜致動(dòng)系統(tǒng)幫助佩戴者。致動(dòng)線纜在腰帶和大腿包裹物之間施加張力，以在髖關(guān)節(jié)處產(chǎn)生外部延伸扭矩，其與臀肌協(xié)同工作。該裝置總重量為5千克，其重量的90%以上靠近身體的質(zhì)心。“這種集中體重的方法，結(jié)合靈活的服裝界面，最大限度地減少了對穿著者的能量負(fù)擔(dān)和運(yùn)動(dòng)限制，”共同作者Jinsoo Kim說道，他是Walsh集團(tuán)的SEAS研究生。“這對于步行很重要，但對于跑步來說更是如此，因?yàn)樗闹珌砘匾苿?dòng)的速度要快得多。”

輕盈多功能外套在上坡行走時(shí)以及在自然地形中以不同的跑步速度輔助髖部伸展。圖片來源：哈佛大??學(xué)威斯學(xué)院

團(tuán)隊(duì)必須解決的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，exosuit需要能夠區(qū)分步行和跑步步態(tài)，并相應(yīng)地改變其動(dòng)作配置文件，并在步態(tài)周期的正確時(shí)間提供適當(dāng)?shù)膸椭?/p>

為了解釋步態(tài)周期中的不同動(dòng)力學(xué)，生物力學(xué)家經(jīng)常將步行與倒立擺的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較并運(yùn)行到彈簧 - 質(zhì)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。在行走過程中，身體的質(zhì)心在腳后跟撞擊后向上移動(dòng)，然后在站立階段的中間達(dá)到最大高度，以便在站立階段結(jié)束時(shí)下降。在跑步中，質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)是相反的。它在站立階段的中間下降到最小高度，然后向上移向推出。

“我們利用這些生物力學(xué)見解來開發(fā)我們的生物學(xué)啟發(fā)的步態(tài)分類算法，通過使用附著在身體上的傳感器監(jiān)測個(gè)體質(zhì)心的加速度，可以穩(wěn)健可靠地檢測從一個(gè)步態(tài)到另一個(gè)步態(tài)的過渡。”共同通訊作者菲利普·馬爾科姆博士說，他是內(nèi)布拉斯加州奧馬哈大學(xué)的助理教授。“一旦檢測到步態(tài)轉(zhuǎn)換，exosuit會(huì)自動(dòng)調(diào)整其動(dòng)作曲線的時(shí)間，以協(xié)助其他步態(tài)，正如我們通過其減少佩戴者代謝氧氣消耗的能力所證明的那樣。”

在正在進(jìn)行的工作中，該團(tuán)隊(duì)致力于優(yōu)化技術(shù)的各個(gè)方面，包括進(jìn)一步減輕重量，個(gè)性化幫助和提高易用性。沃爾什說：“看到我們的方法走了多遠(yuǎn)，我感到非常滿意。”我們很高興繼續(xù)將其應(yīng)用于一系列應(yīng)用，包括幫助那些有步態(tài)障礙的人，有可能受傷的行業(yè)工人任務(wù)，或休閑周末戰(zhàn)士。“

“這項(xiàng)突破性的研究來自Wyss研究所的Bioinspired Soft Robotics平臺(tái)，讓我們可以看到未來可穿戴機(jī)器人設(shè)備可以改善健康生活，以及為受傷或需要康復(fù)的人提供服務(wù)，”Wyss Institute說。創(chuàng)始董事Donald Ingber，醫(yī)學(xué)博士，博士，同時(shí)也是HMS血管生物學(xué)的Judah Folkman教授，波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及SEAS的生物工程教授。