Toen Conor Walsh een afgestudeerde student was aan het MIT, trad hij op als testpiloot voor het exoskeletprogramma van zijn professor. Het krachtige, stijve apparaat was een uitdaging om te dragen en mee te werken, vanwege de manier waarop het moest communiceren met het lichaam, waardoor het lichaam van de gebruiker werd gedwongen om te voldoen aan de structuur van het apparaat, in plaats van andersom.
Uiteindelijk verhuisde Walsh naar Harvard en begon hij zijn eigen exosuit-onderzoek. Maar hij maakte een punt om te werken aan zachte, plooibare systemen om de voortbeweging te helpen. Na vijf jaar werk hebben zijn pakken wandelaars geholpen om 20 tot 25 procent efficiënter te bewegen, volgens zijn onderzoek, onlangs gepubliceerd in Science Robotics .
"De aanpak die we volgen, en een heleboel andere groepen beginnen ook te volgen, is het mogelijk om kleine tot matige hulp te bieden, maar via een zeer lichtgewicht en niet-beperkend platform?", Zegt Walsh.
Het apparaat is gebaseerd op een kabel, die helpt bij de beweging van twee verschillende gewrichten, de enkel en de heup. De gebruiker draagt een harnas rond de taille, en riemen strekken zich uit van dit harnas tot bretels rond elk kalf. Een kabel loopt van de hiel naar een katrol bij de kuit en vervolgens naar een kleine motor. (Voor nu heeft hij de motor en de stroombron elders gemonteerd, als een manier om het onderzoek te vereenvoudigen.)
Gyroscopische sensoren gemonteerd op de voeten verzenden gegevens naar een microcontroller, die de stap van de wandelaar interpreteert en de motor op het juiste moment inschakelt. Terwijl de motor de kabel oprolt, trekt het aan de hiel, wat de stap helpt (plantaire flexie genoemd). De heupgordel heeft twee doelen; het dient als ondersteuning, zodat het kalf niet zoveel druk hoeft te dragen, maar het biedt ook ondersteuning aan het heupgewricht, omdat de kracht van de katrol via de riemen naar boven wordt overgedragen.
Walsh en zijn co-auteurs gebruikten het apparaat op vier verschillende vermogensniveaus om te zien wat het meest efficiënt was.
"Het hoofddoel van deze studie was om naar te kijken, aangezien we de hoeveelheid assistentie die we de persoon bieden vergroten ... welke soorten reactie zien we van de persoon?", Zegt Walsh.
Wat ze vonden was, zelfs op het hoogste ondersteuningsniveau (gemeten door de uitgeoefende kracht als percentage van het lichaamsgewicht, maximaal 75%), zagen ze geen plateau; efficiëntie, gemeten aan de hand van de hoeveelheid zuurstof die de deelnemers tijdens het lopen gebruikten, bleef stijgen.
"Wat zijn gegevens suggereren is dat, als je blijft proberen meer hulp toe te voegen, er misschien geen limiet is, geen limiet aan hoeveel we de benzineverbruik van een persoon kunnen verbeteren, " zegt Greg Sawicki. Sawicki werkt ook in loopondersteunende exosuits, als universitair hoofddocent biomedische technologie aan de Universiteit van North Carolina. Zijn apparaten zijn gebaseerd op een klein, lichtgewicht stijf exoskelet - soms aangedreven, soms aangedreven door een veer - die om de enkel passen.
"In onze studies hebben we een ander resultaat gevonden, namelijk dat het rendement vaak afneemt", zegt hij. "Je doet het goed tot op een bepaald punt van hulp, en als je te veel geeft, begint de efficiëntie van het mens-machinesysteem te dalen." Hij vermoedt dat een deel van het verschil te wijten is aan de multi-articulaire architectuur van Walsh, en hoe het neemt de beweging van de heup op.
Het werk van zowel Walsh als Sawicki is toegepast op het medische gebied, waarbij slachtoffers van een beroerte of patiënten met multiple sclerose of andere leeftijdsgerelateerde verwondingen en ziekten hun mobiliteit kunnen vergroten. Walsh werkt samen met ReWalk Robotics om systemen voor deze toepassingen te ontwikkelen. Maar er is een tweede belangrijke toepassing, die Walsh heeft geholpen om DARPA-financiering te verkrijgen: soldaten die zware uitrusting schleppen, kunnen op een dag pakken als deze gebruiken om hen verder te laten lopen, meer te dragen en minder vermoeidheid te ervaren.
Om beide doelen na te streven, heeft Walsh het textiel, de bedieningssystemen en de controllers verfijnd om dergelijke pakken buiten het lab realistischer te maken. "De vooruitgang op dit gebied komt tot stand door samenwerking met mensen die de mens, de fysiologie, de biomechanica begrijpen en mensen die robotica en het technologische aspect begrijpen, " zegt hij. Het is een multidisciplinaire aanpak, met ontwerp en ergonomie, maar ook biomechanica, software engineering en robotica. Iedereen loopt een beetje anders, dus het systeem moet minstens gedeeltelijk aanpasbaar zijn. En dan is er het gewicht.
"De grootste uitdaging is de vermogensdichtheid van de aandrijving, " zegt Sawicki, erop wijzend dat het monteren van de batterijen en motoren op de rollator in plaats van op afstand op een nabijgelegen standaard, zoals Walsh, de efficiëntie zou kunnen verminderen. Totdat de batterij- en motortechnologie verbetert, vereist elke toename van het vermogen een toename van het gewicht, een wisselwerking die vooralsnog inherent is aan al dergelijke wandelaars. "Er is een fundamentele regel dat als je krachtiger wilt zijn, je zwaarder moet zijn als het gaat om motoren."
