En gruppe forskere fra Georgia Institute of Technology og Emory University har opdaget, at konventionelle ankel-eksoskeletter nogle gange slet ikke har nogen effekt, når det gælder om at holde balancen, mens man står op. Ifølge forskerne reagerer robotternes bevægelseshjælpemidler alt for sent. I stedet er de nødt til at gribe ind, før personen reagerer, for at genoprette balancen efter en forstyrrelse.

I studiet "Exoskeletons need to react faster than physiological responses to improve standing balance", udgivet i Science Robotics, undersøgte forskerholdet, i hvilket omfang ankel-eksoskeletter overhovedet har nogen effekt, når det gælder om at hjælpe ældre og fysisk svækkede mennesker med at forbedre deres balance, så de ikke falder.

Undersøgelsen af et par kommercielt tilgængelige ankel-eksoskeletstøvler fra Dephy, som blev brugt som repræsentant for den nuværende teknologi, var tankevækkende. Det skyldes, at den fysiologisk forsinkede aktivering af exoskeletstøtten ikke hjalp en person med at genvinde balancen, når vedkommende stod op efter en fejlfunktion.

Holdet testede dette med forskellige testpersoner. De skulle stå på en bevægelig platform med exoskeletstøvler på, som blev bevæget pludseligt for at forstyrre deltagernes balance, mens de stod. Forskerne testede dette under tre forskellige forhold: uden nogen støtte fra exoskelettet, med forsinket støtte fra exoskelettet som svar på kroppens naturlige reaktion og med støtte, der satte ind hurtigere end kroppens fysiske reaktion.

Videoen viser, hvordan virkningerne af balanceforstyrrelser opvejes af exoskelettestøvler.

Sådanne exoskeletter styres generelt af fysiologiske signaler fra bæreren - såsom muskel- eller hjerneaktivitet. For eksempel måles muskelaktiviteten omkring anklen. Exoskelettet aktiveres derefter, når musklen spændes. Kontrolsystemet "stjæler" så at sige den menneskelige reaktion og overlejrer den simpelthen.

Behov for hurtigere respons

Som forskerholdet opdagede, er dette ikke nok, hvis balancen forstyrres, mens man står. Exoskelettet aktiveres for sent af kroppens egne reaktioner. De tidligere tilgange til denne type exoskeletkontrol er ikke egnede til at opretholde balancen, mens man står. Ifølge forskerne tager det omkring 150 millisekunder for kroppen at reagere på et tab af balance. Exoskelettet skal reagere inden for dette tidsrum for at være i stand til at træffe modforanstaltninger.

Forskerne indså dette med elektroniske accelerometre, som dem, der bruges i smartphones. De brugte dem til at bestemme forstyrrelsen og var dermed i stand til at udløse en hurtigere reaktion fra exoskeletstøvlerne. Men også her opstod der problemer, da den kunstige hurtige støtte overlappede anklens indledende bevægelse og også forstyrrede den. Med yderligere aktiv kontrol via musklerne var destabiliseringen endnu større. Den hurtigere støtte alene gav dog en forbedring: 9 procent af de største forstyrrelser kunne kompenseres, uden at testpersonerne behøvede at tage et udfald.

Baseret på resultaterne er teamet sikre på, at en kombination af global sensor og ankelsensor ikke fungerer på grund af forsinkelsen mellem de to. Forskerne støtter dermed teorier fra 1970'erne om, at globale fysiologiske signaler er bedre egnet til at forudsige balanceadfærd end lokale signaler fra anklen eller benet. Alligevel er det ikke nok, som resultaterne viser. Holdet antager, at maskinlæringsmetoder kan hjælpe med at genkende og reagere på forstyrrelser på et tidligt tidspunkt.

Kilde: Opretholdelse af balance: Exoskeletter skal reagere hurtigere end mennesker | heise online