Exoskelette sind weitgehend auf den Bereich der Fiktion beschränkt und erscheinen in Science-Fiction- oder Superheldenfilmen, um Charaktere stärker, größer oder zerstörerischer zu machen (in James Camerons Avatar, das etwas erschreckende AMP-Anzug dient als ein „Verstärker eines menschlichen Bedieners“, sondern eher eine humanoide Kriegsmaschine mit einem echten Menschen im Inneren). In Bezug auf die Verwendung in der realen Welt, Exoskelette wurden in Branchen wie getestet oder entwickelt Automobilherstellung, Flugreisen, der Militär und Gesundheitswesen; Diese dienen hauptsächlich dazu, Menschen beim Heben schwerer Gegenstände und Materialien zu helfen.
Ein neues Exoskelett dient einem anderen Zweck: Menschen beim Gehen zu helfen. Das von Ingenieuren des Stanford Biomechatronics Laboratory entwickelte Gerät wird in einem Artikel beschrieben, der diese Woche in veröffentlicht wurde Natur. Kurz gesagt, es ist ein motorisierter Stiefel, der dem Träger bei jedem Schritt einen Schubs nach vorne gibt. Was es jedoch auszeichnet, ist, dass seine Funktion auf jede Person zugeschnitten ist, die es verwendet, und nicht standardmäßig für verschiedene Größen, Gewichte und Gehgeschwindigkeiten.
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„Dieses Exoskelett personalisiert die Unterstützung, wenn Menschen normal durch die reale Welt gehen“, sagte er Steve Collins, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, der das Stanford Biomechatronics Laboratory leitet, in a Pressemitteilung. „Und es führte zu außergewöhnlichen Verbesserungen bei der Gehgeschwindigkeit und der Energieeinsparung.“
Die Personalisierung wird durch einen maschinellen Lernalgorithmus ermöglicht, den das Team mit Emulatoren trainierte – also Maschinen, die Daten über Bewegung und Energieverbrauch von Freiwilligen sammelten, die mit ihnen verbunden waren. Die Freiwilligen gingen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten unter imaginierten Szenarien, wie dem Versuch, einen Bus zu erreichen oder einen Spaziergang durch einen Park zu machen.
Der Algorithmus stellte Verbindungen zwischen diesen Szenarien und dem Energieverbrauch der Menschen her und wandte die Verbindungen an, um in Echtzeit zu lernen, wie man den Trägern beim Gehen helfen kann, so dass es für sie tatsächlich nützlich ist. Wenn eine neue Person den Stiefel anzieht, testet der Algorithmus bei jedem Gehen ein anderes Unterstützungsmuster und misst, wie sich ihre Bewegungen als Reaktion darauf ändern. Es gibt eine kurze Lernkurve, aber im Durchschnitt war der Algorithmus in der Lage, sich in nur einer Stunde effektiv an neue Benutzer anzupassen.
Das Exoskelett arbeitet, indem es ein Drehmoment auf den Knöchel ausübt und einen Teil der Funktion des Wadenmuskels des Trägers ersetzt. Wenn Benutzer einen Schritt machen, kurz bevor ihre Zehen den Boden verlassen, hilft ihnen das Gerät beim Abstoßen. Es funktionierte ziemlich gut; Im Durchschnitt gingen die Menschen 9 Prozent schneller als gewöhnlich und verbrauchten dabei 17 Prozent weniger Energie. Im direkten Vergleich auf einem Laufband sorgte das Exoskelett für etwa doppelt so viel Kraftaufwand wie vergleichbare Geräte.
Die Anstrengung beim Gehen zu reduzieren, ist im Allgemeinen kein Ziel, das die meisten von uns anstreben sollten; Wenn überhaupt, brauchen die Amerikaner das Gegenteil. Aber das Team, das das Exoskelett entwickelt hat, geht davon aus, dass es Menschen mit Mobilitätseinschränkungen, einschließlich älteren oder behinderten Menschen, helfen wird.
„Ich glaube, dass wir im Laufe des nächsten Jahrzehnts diese Ideen der personalisierten Unterstützung und effektiver tragbarer Geräte sehen werden Exoskelette vielen Menschen helfen, Mobilitätsprobleme zu überwinden oder ihre Fähigkeit zu erhalten, ein aktives, unabhängiges und sinnvolles Leben zu führen“, sagte Studienautor und Bioingenieurforscher Patrick Slade in der Pressemitteilung.
Da sich das Exoskelett derzeit im Prototypenstadium befindet, wird es nicht so schnell eine breitere Nutzerbasis erreichen. Darüber hinaus wurde es bisher nur an gesunden Erwachsenen Mitte 20 getestet, sodass neue Tests durchgeführt und Anpassungen für Personen vorgenommen werden müssten, die tatsächlich Hilfe beim Gehen benötigen.
Das Team plant auch die Entwicklung von Iterationen, die dazu beitragen, das Gleichgewicht der Träger zu verbessern und sogar Gelenkschmerzen zu reduzieren. Sie sind optimistisch, was das Potenzial ihres Geräts angeht. „Ich glaube wirklich, dass diese Technologie vielen Menschen helfen wird“, sagte Collins.
Bild-Kredit: Stanford University/Kurt Hickman
