脚踝外骨骼可以大大提高步行速度

在实验室测试中，研究人员发现，与正常速度相比，优化的脚踝外骨骼系统使参与者的步行速度提高了约 40%。研究人员希望有一天能帮助老年人恢复步行速度。

无法快速行走可能会令人沮丧和成问题，但这是一个常见问题，尤其是随着人们年龄的增长。斯坦福大学的工程师注意到普遍存在的步行速度比预期慢，他们测试了他们开发的原型外骨骼系统——连接到胫骨和跑鞋——在一项实验中提高了人们自主选择的步行速度环境。

外骨骼由电机外部供电并由算法控制。当研究人员针对速度对其进行优化时，参与者的步行速度平均比他们穿着普通鞋子且没有外骨骼时快 42%。这项研究的结果 发表 在IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 上。

斯坦福大学机械工程副教授、该论文的资深作者史蒂夫柯林斯说：“我们希望通过外骨骼辅助可以提高步行速度，但我们真的很惊讶地发现了如此大的改进 。” “百分之四十是巨大的。”

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，研究人员计划在未来对老年人进行测试，并研究可以改进外骨骼设计的其他方式。他们还希望最终创造出一种可以在实验室外工作的外骨骼，尽管这个目标还有很长的路要走。

“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，并将其应用于提高人类在日常生活中的身体机能，”机械工程博士后、该论文的第一作者 Seungmoon Song 说。“我认为外骨骼是非常有前途的工具，可以提高身体的生活质量。”

在循环中行走

本研究中测试的脚踝外骨骼系统是一个实验模拟器，可用作尝试不同设计的测试平台。它有一个框架，可以固定在上胫骨周围，并固定在参与者穿着的集成跑鞋中。它连接到位于步行表面旁边的大型电机上，并拉动一条沿着外骨骼后部延伸的系绳。在算法的控制下，系绳将佩戴者的脚后跟向上拉，帮助他们在离开地面时将脚趾指向下方。

在这项研究中，研究人员让 10 名参与者以五种不同的操作模式行走。他们穿着没有外骨骼的普通鞋子走路，外骨骼关闭，外骨骼打开，三种不同的模式：优化速度，优化能源使用，以及调整后的安慰剂模式，使他们走得更慢。在所有测试中，参与者都在适合他们速度的跑步机上行走。

针对速度进行了优化的模式——导致步行速度增加了 42%——是通过人工参与的过程创建的。一种算法在用户行走时反复调整外骨骼设置，目的是通过每次调整提高用户的速度。找到速度优化的操作模式需要大约 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能源消耗，每走一米大约减少 2%。然而，这个结果因人而异，这在某种程度上是预料之中的，因为它不是外骨骼模式的故意特征。

“这项研究旨在专门回答有关提高步行速度的科学问题，”宋说。“我们不太关心其他性能指标，比如舒适度或能源。然而，十分之七的参与者不仅走得更快，而且消耗的能量更少，这确实表明外骨骼在以有效的方式帮助人们方面有多大潜力。”

专门为能源使用优化的设置是从之前的实验中借用的。在当前的研究中，这种模式比速度优化设置减少了更多的能源消耗，但并没有增加那么多的速度。正如预期的那样，安慰剂模式既减慢了参与者的速度，又增加了他们的能量消耗。

更好、更快、更强

现在研究人员已经获得了如此重要的速度帮助，他们计划将脚踝外骨骼模拟器的未来版本集中在减少用户的能源使用上，同时也更舒适。

在专门考虑老年人时，柯林斯和他的实验室想知道未来的设计是否可以减轻关节重量引起的疼痛或改善平衡。他们计划对老年人进行类似的步行测试，并希望这些测试也能提供令人鼓舞的结果。

“速度提高 40% 比年轻人和老年人之间的差异还要大，”柯林斯说。“因此，像这样的设备可能不仅可以恢复而且 提高 老年人自主选择的步行速度，这是我们接下来很高兴测试的东西。”

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