Файл: Candler Hobbs, Georgia Institute of Technology
Роботизированные ботинки, обеспечивающие сверхчеловеческие рефлексы, могут помочь человеку держать равновесие. Новое исследование показывает, что ключ к улучшению равновесия — иметь ботинки, которые способны действовать быстрее, чем реагирует человек.
Если человек поскользнется или споткнется, то для восстановления равновесия ему требуется время, чтобы биологические датчики отправили сигналы в нервную систему, а затем включили мускулы. Роботы в подобных ситуациях могут действовать гораздо быстрее, используя провода вместо нервов для передачи сигналов.
Но роботы по-прежнему плохо умеют балансировать, потому что они пока не могут имитировать реакцию людей, если их равновесие нарушено. В своем недавнем исследовании инженеры-биомеханики и исследователи реабилитационной физиологии хотели ответить на вопрос, могут ли так называемые «переносные роботы», например, экзоскелеты нижних конечностей или роботизированные протезы улучшить способность человека удерживать равновесие.
В ходе исследования ученые из Georgia Institute of Technology участников разместили на специальном подвижном полу, чтобы буквально «вытащить ковер» из-под ног. Участников просили сохранять равновесие, держа ноги на месте, но иногда им приходилось делать шаг, чтобы не упасть лицом на землю. Затем исследователи запрограммировали специальные экзоботинки так, чтобы они оказывали «мгновенную» помощь по сохранению равновесия с разным временем задержки: сначала с той же скоростью, как реагирует сам человек, а потом с более высокой скоростью реакции.
Файл: Candler Hobbs, Georgia Institute of Technology
Оказалось, что только режим, который превосходит человеческую реакцию на потерю равновесия, помог пользователям быстрее восстановить равновесие и не позволил им сделать шаг для удержания равновесия.
Используя ультразвук, исследователи смогли проследить, как икроножные мускулы растягиваются во время скольжения. Растяжение мускулов создает важные сенсорные сигналы, необходимые нервной системе для инициирования реакции равновесия. Более быстрые чем реакция человека экзоботинки фактически устранили сигналы растяжения икроножных мускулов, но контрольные сигналы для тех самых мышц в ответ на нервную систему в целом сохранились.
Это означает, что нервная система — больше, чем набор простых рефлексов, которые реагируют на локальное растяжение мышц. На самом деле она действует для сбора информации со всего тела, чтобы оставаться в вертикальном положении как стоя, так и при ходьбе.
Почему это важно
Использование переносных роботов для улучшения мобильности, особенно равновесия, давно было мечтой ученых и инженеров. Но исследования на сегодняшний день были сосредоточены главным образом на предложении механической помощи, чтобы людям ходить стало легче, быстрее и дольше. Если не считать нескольких перспективных лабораторных исследовательских устройств, то внимание в области переносных роботов было не слишком сосредоточено на равновесии.
Пока еще много нужно сделать, чтобы надежные экзоскелеты помогали балансировать в повседневной жизни людям с нарушениями равновесия, например, пожилым или людям с инсультом или повреждением спинного мозга. Подобные исследования помогут в изучении использования экзоскелетов для других суставов нижних конечностей (коленных и тазобедренных), а также помогут более быстрой разработке искусственного интеллекта, который сможет предвидеть риск падения и позволит поддерживать персонализированное сверхчеловеческое равновесие.
