Forscher entwickeln neuen Ansatz für Roboter-Exosuit-Unterstützung

Forscher an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences haben einen neuen Ansatz für Roboter-Exosuit-Unterstützung entwickelt. Dieser hilft, eine große Herausforderung bei der Entwicklung tragbarer Roboter, die zum Gehen in realen Bedingungen eingesetzt werden können, zu überwinden.

Heutige anpassbare tragbare Roboter-Unterstützungsplattformen erfordern viel manuelle oder automatische Feinabstimmung, um Einzelpersonen zu unterstützen, was für Patienten schwierig sein kann.

Der neue Ansatz basiert auf der Kalibrierung des Roboter-Exosuits für eine Person und passt sich verschiedenen realen Gehaufgaben in nur wenigen Sekunden an. Das bio-inspirierte System verwendet Ultraschallmessungen der Muskel-Dynamik, was es ermöglicht, personalisiert und aktivitäts-spezifisch für Benutzer zu sein.

Robert D. Howe ist ein Abbott und James Lawrence Professor of Engineering und Co-Autor des Artikels, der in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht wurde.

“Unsere muskelbasierte Methode ermöglicht eine relativ schnelle Erstellung von individualisierten Unterstützungsprofilen, die einen echten Nutzen für die gehende Person bieten”, sagte Howe.

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Vorherige bio-inspirierte Systeme im Vergleich zum neuen Ansatz

Vorherige bio-inspirierte Systeme haben sich auf die dynamischen Bewegungen der Gliedmaßen und der Träger konzentriert, aber die Forscher haben außerhalb davon gesucht.

Richard Nuckols ist ein Postdoctoral Research Associate am SEAS und Co-Erster Autor des Artikels.

“Wir haben Ultraschall verwendet, um unter die Haut zu schauen und direkt zu messen, was die Muskeln des Benutzers während mehrerer Gehaufgaben taten”, sagte Nuckols. “Unsere Muskeln und Sehnen haben eine Compliance, was bedeutet, dass es nicht unbedingt eine direkte Abbildung zwischen der Bewegung der Gliedmaßen und der Bewegung der darunter liegenden Muskeln gibt, die ihre Bewegung antreiben.”

Das Forschungsteam hat ein portables Ultraschallsystem an den Waden der Teilnehmer befestigt, bevor es ihre Muskeln während verschiedener Gehaufgaben aufnahm.

Krithika Swaminathan ist ein Graduate-Student am SEAS und der Graduate School of Arts and Sciences (GSAS) und Co-Erster Autor der Studie.

“Aus diesen vorab aufgenommenen Bildern haben wir die unterstützende Kraft geschätzt, die parallel zu den Wadenmuskeln angewendet werden sollte, um die zusätzliche Arbeit zu kompensieren, die sie während der Push-Off-Phase des Gehzyklus leisten müssen”, sagte Swaminathan.

Aufzeichnung des Muskel-Profils

Das System benötigt nur wenige Sekunden des Gehens, um das Muskel-Profil aufzuzeichnen, und für jedes Profil haben die Forscher gemessen, wie viel metabolische Energie die Person während des Gehens mit und ohne den Exosuit verbrauchte.

Das Team fand heraus, dass die metabolische Energie des Gehens über einen Bereich von Geschwindigkeiten und Steigungen hinweg deutlich reduziert wurde, wenn der Exosuit mit der muskelbasierten Unterstützung verwendet wurde. Sie fanden auch heraus, dass eine geringere Unterstützungskraft erforderlich war, um den gleichen oder verbesserten metabolischen Energie-Vorteil im Vergleich zu vorherigen Studien zu erzielen.

Sangjun Lee ist ein Graduate-Student am SEAS und GSAS und Co-Erster Autor der Studie.

“Indem wir die Muskeln direkt messen, können wir intuitiver mit der Person arbeiten, die den Exosuit verwendet”, sagte Lee. “Mit diesem Ansatz überwältigt der Exosuit den Träger nicht, sondern arbeitet kooperativ mit ihm zusammen.”

In realen Situationen hat der Exosuit gezeigt, dass er sich schnell an Änderungen der Gehgeschwindigkeit und Steigung anpassen kann. Das Team wird nun den System mit Echtzeit-Anpassungen testen.

“Dieser Ansatz kann dazu beitragen, die Verbreitung tragbarer Roboter in realen, dynamischen Situationen zu unterstützen, indem er komfortable, maßgeschneiderte und adaptive Unterstützung ermöglicht”, sagte Walsh.