I eksperimenter med 11 ulykkelige mennesker, tog den såkaldte human-in-the-loop algoritme omkring en time at optimere eksoskelettet, og derefter reducerede mængden af energi, som deltagerne havde brug for at gå med 24 procent i gennemsnit, sagde forskerteammedlem Rachel Jackson, en postdoktorisk forsker i Institut for Mekanik ved Carnegie Mellon University (CMU).
"Størrelsen på reduktionen var temmelig forbløffende," sagde Jackson til Live Science.
Jackson og hendes kolleger, ledet af Steven Collins, lektor i maskinteknik ved CMU, og Juanjuan Zhang, tidligere CMU og nu professor ved Nankai University i Kina, offentliggjorde resultaterne af deres forskning online i dag (22. juni) i tidsskriftet Videnskab.
En lettere belastning er bestemt tiltalende, men et personlig exoskelet kan også øge afstanden, som en ulykkelig person kan gå, og det kan endda hjælpe enkeltpersoner med at løbe hurtigere, sagde Jackson.
Mennesker med fysisk funktionsnedsættelse, såsom dem, der har fået et slagtilfælde, en neurologisk skade eller en amputation, kan også realisere fordele, sagde Jackson. Et personligt exoskelet kunne gøre gang så let eller lettere, end det var før en amputation eller skade, sagde hun.
Tidligere var de største gennemsnitlige energireduktioner opnået af andre forskerteam 14,5 procent ved hjælp af manuelt justerede ankeleksoskeletter båret på begge ben og 22,8 procent ved hjælp af en exosuit, der virkede på begge hofter og begge ankler ved hjælp af forprogrammerede indstillinger.
Men CMU-human-in-the-loop algoritmen presterede bedre, og den var ikke afhængig af forprogrammering.
"Denne algoritme var så god, at den var i stand til at opdage en hjælpestrategi til at reducere energiomkostningerne med kun en enkelt enhed," sagde Jackson. "Det var ret cool."
Udfordringen med eksoskeletter er, at selv om de er beregnet til at hjælpe en person, kan de hindre bevægelse, sagde Jackson. For det første kommer hver enhed med sin egen vægt, der spænder fra et par ounce til et par pund, og brugeren skal bære den vægt. Eksoskeletter er også designet til at anvende kraft til visse dele af kroppen, men hvis tidspunktet for styrken er slukket, kan personen muligvis bruge mere energi til at bevæge sig, sagde Jackson. Og det er kontraproduktivt.
I optimeringsfasen af den nylige undersøgelse bar hver deltager et ankeleksoskelet såvel som en maske designet til at måle niveauer af ilt og kuldioxid (CO2). Disse mål vedrører hvor meget energi personen bruger. Da hver person gik på løbebånd i konstant tempo, anvendte eksoskelettet et sæt forskellige mønstre af hjælp til ankler og tæer.
Disse mønstre var en kombination af, hvornår kraften blev anvendt, og mængden af styrke. F.eks. Kan kræfter påføres tidligt i en holdning (når hælen først rammer jorden), i midten af holdningen (når foden er flad) eller sent i holdning (når foden er rullet op til tåen). Under disse variationer i positioner kunne en større eller mindre mængde kraft anvendes.
Algoritmen testede deltagernes svar på 32 forskellige mønstre, som ændrede sig hvert 2. minut. Derefter målte det, om mønsteret gjorde det lettere eller vanskeligere for personen at gå.
Ved afslutningen af sessionen, der varede kun længere end en time, producerede algoritmen et unikt hjælpemønster optimeret for hver enkelt person.
"Med hensyn til mønstrernes generelle form var der stor variation, som taler for vigtigheden af at tilpasse disse strategier til hver person, snarere end at anvende den samme ting til alle," sagde Jackson.
Hun tilføjede, at enheden måske har fungeret godt, ikke bare fordi det var "læring", men også fordi den ændrede mønsteret for hjælp, også den, der brugte den, lærte.
"Vi tror, at det tvinger folk til at udforske forskellige måder at koordinere deres gang på for at interagere bedre med enheden," sagde Jackson. Det hjælper dig med at guide personen, hvordan han bedst bruger enheden og får den største fordel ved det. ”Det er en tovejsgade,” sagde hun.
Andre medlemmer af teamet planlægger at teste, hvordan algoritmen kunne opskaleres for at skabe et exoskelet med seks samlinger, designet til at bæres på hele den nedre halvdel af kroppen.
