Поддержка экзокостюма оказывает различное воздействие на каждого человека. Исследователи теперь смогли доказать это с помощью тензиометра сдвиговой волны.

Исследователь измеряет нагрузку на ахиллову пяту испытуемого, надевшего экзокостюм для поддержки лодыжки при ходьбе. (Изображение: Университет Висконсин-Мэдисон)

Группа исследователей из Университета Висконсин-Мэдисон (UW) и Гарвардского университета использовала тензиометр сдвиговой волны, чтобы понять, насколько экзокостюм обеспечивает пользователю ощутимое облегчение и пользу от механической поддержки. Датчик является носимым и предоставляет данные в режиме реального времени. С его помощью они обнаружили, что невозможно разработать стандартную систему управления экзокостюмом, которая бы подходила всем.

Чтобы экзокостюм работал, он обычно должен быть приспособлен к индивидуальным движениям тела пользователя и его деятельности в реальном мире за пределами лаборатории. Например, если необходимо обеспечить поддержку при ходьбе, она должна быть оказана в нужное время, чтобы разгрузить икроножные мышцы и ахиллово сухожилие. Однако понять, насколько велик и точен эффект, не так-то просто. Научная группа описывает проблему исследования в работе "Модуляция силы ахиллова сухожилия при переноске груза и помощи экзокостюма", опубликованной в журнале Science Robotics. Для этого необходимо измерить изменения нагрузки на мышцы и ткани сухожилий непосредственно во время использования экзокостюма.

Измерение нагрузки с помощью тензиометра со сдвиговой волной

Для достижения этой цели исследователи использовали тензиометр сдвиговой волны - носимый датчик, разработанный в Университете Южной Калифорнии в 2018 году. Датчик наносится на кожу пользователя над сухожилием, поэтому его не нужно имплантировать. Тензиометр можно использовать для определения прочности сухожилия путем измерения изменений вибрационных характеристик сухожилия, которые меняются, когда сухожилие испытывает нагрузку при движении.

Испытуемый бежит по беговой дорожке в экзокостюме. Нагрузка на ахиллово сухожилие измеряется с помощью тензиометра.(Изображение: University of Wisconsin-Madison)

Исследовательская группа протестировала датчик на восьми испытуемых. Участниками исследования были здоровые молодые люди. Сначала они должны были бегать на беговой дорожке без экзокостюма. Они несли различные грузы в рюкзаке, чтобы дать себе нагрузку. Помимо измерения нескольких биомеханических параметров, исследователи использовали тензиометр для измерения нагрузки на ахиллово сухожилие. Как и предполагали исследователи, нагрузка на сухожилие увеличивалась у всех участников по мере увеличения веса рюкзака.

Затем они пристегнули испытуемых к поддерживающему экзокостюму из мягкого текстиля и актуатору для поддержки лодыжки и повторили испытания. Научная группа обнаружила, что результаты сильно различаются: некоторые участники испытывали такое усилие на ахилловы сухожилия, как если бы на них не было рюкзака, в то время как у других нагрузка изменилась совсем незначительно.

Персонализация

Дилан Шмитц (Dylan Schmitz), докторант и соавтор исследования, объясняет это индивидуальными физическими различиями между людьми. Каждый человек по-разному реагирует на внешнюю поддержку при ходьбе. "Поэтому мы не можем предположить, что существует стандартная система управления экзокостюмом, которая подходит всем", - говорит он. Для того чтобы экзокостюм привел к желаемым биомеханическим изменениям, необходима точная настройка в зависимости от пользователя и условий, в которых будет оказываться поддержка. Тензиометр может быть использован в качестве инструмента для проведения соответствующих измерений. Это позволяет настроить управление экзокостюмами "таким образом, чтобы они эффективно работали для отдельных пользователей в различных условиях".

Источник: Измерено: Экзокостюмы не работают одинаково хорошо для всех | heise online (07.12.2022)