美國科學(xué)家報(bào)道了一種能加速外骨骼控制系統(tǒng)開發(fā)的模擬框架，這種外骨骼能輔助現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)。研究顯示，這個(gè)框架或有助于推動(dòng)外骨骼和義肢等裝置的廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究6月12日發(fā)表于《自然》。

外骨骼能顯著提升人類運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)殘疾人士的運(yùn)動(dòng)能力。不過，當(dāng)前的控制器在匹配不同個(gè)體需求和任務(wù)涉及的復(fù)雜人體運(yùn)動(dòng)時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)。它們通常需要開展大量的人體測(cè)試，依賴手工制作的規(guī)則，這限制了它們的廣泛應(yīng)用。之前的模擬研究并不包含控制器設(shè)計(jì)，也未考慮人類-機(jī)器人交互，這給從模擬到現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用的過渡帶來了挑戰(zhàn)。

為克服這些挑戰(zhàn)，北卡羅萊納州立大學(xué)的蘇浩和同事開發(fā)了一個(gè)能從人類-裝置交互中學(xué)習(xí)的框架，該框架不需要漫長(zhǎng)的人體實(shí)驗(yàn)和人力資源。他們開發(fā)了能在模擬中生成人體運(yùn)動(dòng)、肌肉協(xié)調(diào)和外骨骼控制的三個(gè)互聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隨后用該模型開展了數(shù)百萬次模擬試驗(yàn)，該模型能從人體移動(dòng)數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。

為測(cè)試控制器在現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景中的成功率，研究者對(duì)一名佩戴髖關(guān)節(jié)外骨骼的使用者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并在使用者進(jìn)行跑步、走路和爬樓梯這類運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最后得到的數(shù)據(jù)（測(cè)量力矩）會(huì)顯示使用者不同運(yùn)動(dòng)形式下的形狀變化以及輔助程度。研究發(fā)現(xiàn)，他們的控制器讓使用者的代謝率在行走時(shí)降低24.3%，跑步時(shí)降低13.1%，爬樓梯時(shí)降低15.4%，表明整體上控制器能在不同活動(dòng)中成功協(xié)助使用者。

研究者表示，仍需開展進(jìn)一步研究拓寬這些控制器的應(yīng)用范圍，從而讓輔助外骨骼應(yīng)用于更多的個(gè)體和任務(wù)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07382-4

來源：中國科學(xué)報(bào)