Personalisierter Exosuit für echtes Gehen

Menschen gehen selten mit einer konstanten Geschwindigkeit und einer einzigen Steigung. Wir ändern die Geschwindigkeit, wenn wir zum nächsten Termin eilen, ein Zebrastreifensignal empfangen oder einen gemütlichen Spaziergang im Park machen. Auch die Steigungen ändern sich ständig, egal ob wir wandern oder eine Rampe in ein Gebäude hinauffahren. Zusätzlich zu Umwelteinflüssen wird unser Gehen durch Geschlecht, Größe, Alter und Muskelkraft und manchmal durch neurale oder muskuläre Erkrankungen wie Schlaganfall oder Parkinson-Krankheit beeinflusst.

Diese Variabilität von Menschen und Aufgaben ist eine große Herausforderung bei der Entwicklung tragbarer Roboter, die das Gehen unter realen Bedingungen unterstützen oder verbessern. Bis heute erfordert die Anpassung tragbarer Roboterunterstützung an das Gehen einer Person stundenlanges manuelles oder automatisches Tuning – eine mühsame Aufgabe für gesunde Personen und oft unmöglich für ältere Erwachsene oder klinische Patienten.

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem die Roboter-Exosuit-Unterstützung auf eine Person kalibriert und in Sekundenschnelle an eine Vielzahl von realen Gehaufgaben angepasst werden kann. Das bioinspirierte System nutzt Ultraschallmessungen der Muskeldynamik, um ein personalisiertes und aktivitätsspezifisches Unterstützungsprofil für Benutzer des Exosuits zu entwickeln.

Frühere bioinspirierte Versuche, individualisierte Assistenzprofile für Roboter-Exosuits zu entwickeln, konzentrierten sich auf die dynamischen Bewegungen der Gliedmaßen des Trägers. Die SEAS-Forscher verfolgten einen anderen Ansatz.

Es gibt nicht unbedingt eine direkte Zuordnung zwischen der Bewegung der Gliedmaßen und der der darunter liegenden Muskeln, die ihre Bewegung antreiben. Um die Muskeldynamik zu untersuchen, schnallte das Team ein tragbares Ultraschallsystem an die Waden der Teilnehmer und bildete ihre Muskeln ab, während sie eine Reihe von Gehaufgaben durchführten.

Anhand dieser vorab aufgezeichneten Bilder schätzten sie die Unterstützungskraft, die parallel zu den Wadenmuskeln aufgebracht werden musste, um die zusätzliche Arbeit auszugleichen, die sie während der Abstoßphase des Gehzyklus leisten mussten. Das neue System benötigt nur wenige Sekunden des Gehens – sogar ein Schritt kann ausreichen, um das Profil des Muskels zu erfassen.

Für jedes der per Ultraschall erzeugten Profile haben die Forscher dann gemessen, wie viel Stoffwechselenergie die Person beim Gehen mit und ohne Exosuit verbraucht hat. Sie fanden heraus, dass die muskelbasierte Unterstützung durch den Exosuit die Stoffwechselenergie beim Gehen über eine Reihe von Gehgeschwindigkeiten und Steigungen hinweg signifikant reduzierte.

Der Exosuit wendete auch eine geringere Unterstützungskraft an, um den gleichen oder einen verbesserten metabolischen Energienutzen zu erzielen, als in zuvor veröffentlichten Studien aufgezeichnet wurde. „Indem wir den Muskel direkt messen, können wir intuitiver mit der Person arbeiten, die den Exosuit trägt“, sagte Doktorand Sangjun Lee. „Bei diesem Ansatz überwältigt der Exosuit den Träger nicht, er arbeitet kooperativ mit ihm zusammen.“ Bei Tests in realen Situationen konnte sich der Exosuit schnell an Änderungen der Gehgeschwindigkeit und -neigung anpassen.

Als Nächstes will das Forschungsteam das System testen, indem es ständig Anpassungen in Echtzeit vornimmt.