绘制动力外骨骼的路径

 
外骨骼是为保护或支撑而穿戴的设备，例如盔甲或头盔。这些和其他无源设备已经存在了数千年，但是今天的研究人员正在开发动力外骨骼系统，将来，它可以使人类的力量和耐力提高到新的水平。
通过提供额外的动力，它们可以提高士兵在战场上的耐力或帮助工人更轻松，更安全地执行任务。他们还可以帮助受伤和残障人士恢复独立。
但是，要使下一代外骨骼正常工作，我们需要重新考虑关于可穿戴系统如何与使用它们的人类进行交互的想法。 Leia Stirling副教授正在U-M工业运营和工程系从事这项工作。斯特林(Stirling)以前曾在麻省理工学院(MIT)航空部门任职，其人为因素为动力外骨骼如何改变佩戴者的思维和运动方式提供了新的思路。斯特林的最新论文的标题为“人类操作员外部系统的静态，动态和认知契合度”。我们最近和她坐下来，以了解有关她工作的更多信息。
我们都已经在钢铁侠和RoboCop等电影中看到大量的外骨骼。您使用的是那些系统吗?
不完全是，我认为全身外骨骼还有很长的路要走。但是，与此同时，有更多有限的动力外骨骼应用程序可以帮助人们进行特定的运动，例如为脚踝或膝盖增加支撑和力量。这些是低挂的果实，我们开始在商业上看到这些系统。但是，在将其广泛应用之前，还有许多工作要做。
为什么单关节动力外骨骼比被动系统还要复杂得多?
当我们为简单的外骨骼增加能量时，我们需要开始思考它的方式不再像一件衣服，而更像是一辆很小的车。当我穿上外骨骼时，我就在里面，它在积极地推动着我。因此，我们需要从人的角度考虑它-用户如何最有效，最安全地驾驶该车辆?
这与过去有所不同，过去，外骨骼研究人员主要关注器械的机械原理。这意味着像我这样的人为因素研究人员需要与机械工程师合作，以使这些机器更上一层楼。
您怎么知道电动系统对穿戴者的影响与我们多年来使用的矫正器和其他设备不同?
所有系统都会影响我们的移动方式，而动力系统也不例外。例如，不久前，我们进行了一项研究，参与者穿了一个简单的动力外骨骼-当步行时将脚踩离地面时，可以为脚踝提供额外的力量。我们打开了电源，发现不同的参与者在适应系统时使用助推器的方式非常不同。有些采取了更长的步骤，有些采取了较短的步骤，有些则保持不变。在关闭电源后，有些恢复了正常的步态，有些则没有。
研究表明，即使很小的变化也会改变反馈回路​​，使我们能够导航环境。这些变化可以有意识地和无意识地发生。我们需要了解这些动力系统如何影响我们的感知，认知和运动过程，以及如何设计外骨骼以适当地适应个人用户。
您如何测量电动外骨骼是否“适合”其佩戴者?
实际上，我们在最近发表的一篇论文中重新考虑了“适合”的概念。我们将其分为三个独立的方面。
首先是“静态贴合”，这是我们习惯的方式，例如当我不动时，该设备与身体的大小和形状的适应程度如何。
第二个维度是“动态匹配”，即设备与我一起移动的程度。它会限制我的运动吗?它是否适合我在一系列任务中需要执行的整个运动范围?
第三个维度，也是我们最不习惯的一个维度，是“认知契合度”。这个维度可以衡量我所佩戴的设备如何自觉和不自觉地改变我对运动的看法。我如何解释从设备获得的反馈?设备的制造商又如何使其反馈适应不同用户的认知过程?
动力外骨骼设备固有地提供触觉反馈，因为它们在运动过程中向身体施加力的方式。但是，我们也正在研究如何在显式反馈中进行设计，以帮助用户建立对设备的信心并使其更易于有效使用。
如果我们现在需要考虑这些新因素，这是否意味着我们在新型外骨骼系统的道路上正在迷失方向?
相反，识别这些额外的尺寸是构建新型机器过程的全部部分。 外骨骼确实是跨学科系统，因此设计外骨骼需要一套独特的技能。 这项研究提供了实现这一目标的框架。
实际上，我来密歇根州的原因之一是，所有这些人都从所有这些不同的角度思考外骨骼。 我真高兴能来到一个这样的地方，所有这些人都可以从不同的角度看待他们，他们可以一起工作。