脚踝外骨骼提高步行速度

斯坦福大学的工程师发现脚踝外骨骼可以更快地步行。视频中的屏幕截图。

资料来源：斯坦福大学

无法快速行走可能会令人沮丧和问题，但这是一个普遍的问题，尤其是随着人们的年龄。斯坦福大学的工程师注意到步行较慢的步行的普遍性，已经测试了原型外骨骼他们开发的系统（附着在胫骨上并进入跑步鞋中），在实验环境中为人们的自我选择的步行速度介绍了。

外骨骼由电动机外部供电，并由算法控制。当研究人员对速度进行优化时，参与者平均步行42％的速度比穿着正常鞋子而没有外骨骼的速度快42％。斯坦福大学机械工程副教授兼报纸高级作者史蒂夫·柯林斯（Steve Collins）说：“我们希望我们能够通过外骨骼协助提高步行速度，但我们真的很惊讶地发现如此大的进步。”“ 40％是巨大的。”

对于这组最初的实验，参与者是年轻，健康的成年人。鉴于他们令人印象深刻的结果，研究人员计划与老年人一起进行未来的测试，并研究其他方式可以改善外骨骼设计。他们还希望最终创建一个可以在实验室外工作的外骨骼，尽管该目标仍然有一段路要走。

“我的研究任务是了解人类运动背后的生物力学和运动控制科学，并将其应用于日常生活中人类的身体表现，”机械工程学博士后宋（Seungmoon Song）说，该论文的主要作者桑德蒙·宋（Seungmoon Song）说。“我认为外骨骼是非常有前途的工具，可以增强身体质量。”

在循环中行走

在这项研究中测试的脚踝外骨骼系统是一种实验模拟器，可作为试用不同设计的测试台。它的框架可以固定在上胫骨上，并进入参与者穿着的集成跑步鞋。它连接到坐在行走表面旁边的大型电动机上，并拉起延伸外骨骼背面长度的系绳。系绳由算法控制，将佩戴者的脚跟向上拖着，帮助他们将脚趾推下地面。

在这项研究中，研究人员有10名参与者步行，采用五种不同的操作模式。他们在没有外骨骼的情况下穿上普通鞋子，外骨骼关闭，外骨骼以三种不同的模式打开外骨骼：优化速度，优化用于能量利用，并调整了安慰剂模式以使它们更缓慢地行走。在所有测试中，参与者都走上适应其速度的跑步机。

通过人类的工艺创建了针对速度进行优化的模式（导致步行步伐增加42％）。一个算法在用户行走时，反复调整了外骨骼设置，目的是通过每次调整来提高用户的速度。查找速度优化的操作模式大约需要150轮调整和每人两个小时。

除了大大提高步行速度外，速度优化模式还减少了每米2％的能源使用。但是，由于它不是该外骨骼模式的故意特征，因此由于人与人之间的差异很大，这是有些预期的。

宋说：“这项研究旨在专门回答有关提高步行速度的科学问题。”“我们不太在乎其他绩效措施，例如舒适性或能量。但是，十分之七的参与者不仅走得更快，而且消耗了更少的能量，这确实表明了外骨骼有效地帮助人们有多少潜在的外骨骼。”

专门针对能源使用的设置从先前的实验中借了。在当前的研究中，这种模式比速度优化的设置降低了能源的使用量更多，但并没有增加速度。按照预期的方式，安慰剂模式都减慢了参与者的速度并提高了他们的能源使用。

更好，更快，更强壮

既然研究人员已经获得了如此大的速度帮助，他们计划将脚踝外骨骼模拟器的未来版本集中在跨用户始终如一地减少能源使用上，同时也更加舒适。

在考虑到老年人时，柯林斯和他的实验室想知道未来的设计是否会减轻关节体重或改善平衡引起的疼痛。他们计划与老年人进行类似的步行测试，并希望那些也能提供令人鼓舞的结果。柯林斯说：“速度增长40％远远超过年轻人和老年人之间的差异。”“因此，这样的设备不仅可以恢复，而且可以提高年龄较大个人的自我选择的步行速度，这是我们下一步测试的兴奋。”

研究人员发表了他们的结果IEEE神经系统和康复工程的交易。