Adaptiver Exosuit: Maßgeschneiderte Unterstützung für alltägliches Gehen

Menschen gehen selten mit konstanter Geschwindigkeit und einer einzelnen Steigung. Wir ändern das Tempo, wenn wir zum nächsten Termin hetzen, ein Zebrastreifensignal erwischen oder einen gemütlichen Spaziergang im Park machen. Steigungen ändern sich ständig, ob wir wandern oder eine Rampe in ein Gebäude hinaufgehen. Neben der Umgebungsvariabilität wird unser Gang durch Geschlecht, Größe, Alter und Muskelkraft beeinflusst, und manchmal durch neuronale oder muskuläre Störungen wie Schlaganfall oder Parkinson-Krankheit.

Diese menschliche und aufgabenbezogene Variabilität ist eine große Herausforderung beim Design tragbarer Robotik zur Unterstützung oder Erweiterung des Gehens in realen Bedingungen. Bisher erforderte die Anpassung tragbarer robotischer Unterstützung an das Gehen eines Individuums Stunden manueller oder automatischer Abstimmung – eine mühsame Aufgabe für gesunde Menschen 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 robotische Exosuit-Unterstützung in Sekunden auf einen Individuum kalibriert werden kann und sich an eine Vielzahl realer Gehaufgaben anpasst. Das bioinspirierte System nutzt Ultraschallmessungen der Muskeldynamik, um ein personalisiertes und aktivitätsspezifisches Unterstützungsprofil für Exosuit-Nutzer zu entwickeln.

Frühere bioinspirierte Versuche, individualisierte Unterstützungsprofile für robotische Exosuits zu entwickeln, konzentrierten sich auf die dynamischen Bewegungen der Gliedmaßen des Trägers. Die SEAS-Forscher gingen einen anderen Weg.

Es gibt nicht unbedingt eine direkte Abbildung zwischen der Bewegung der Gliedmaßen und der der zugrundeliegenden Muskeln, die ihre Bewegung antreiben. Um also die Muskeldynamik zu untersuchen, befestigte das Team ein tragbares Ultraschallsystem an den Waden der Teilnehmer und filmte ihre Muskeln, während sie eine Reihe von Gehaufgaben ausführten.

Aus diesen voraufgezeichneten Bildern schätzten sie die unterstützende Kraft, die parallel zu den Wadenmuskeln anzuwenden ist, um die zusätzliche Arbeit auszugleichen, die sie während der Abstoßphase des Gehzyklus leisten müssen. Das neue System benötigt nur wenige Sekunden des Gehens – sogar ein einziger Schritt kann ausreichen, um das Muskelprofil zu erfassen.

Für jedes der ultraschallgenerierten Profile maßen die Forscher dann, wie viel metabolische Energie die Person beim Gehen mit und ohne Exosuit verbrauchte. Sie fanden heraus, dass die muskelbasierte Unterstützung durch den Exosuit die metabolische Energie des Gehens über eine Reihe von Geschwindigkeiten und Steigungen signifikant reduzierte.

Der Exosuit applizierte auch eine geringere Unterstützungsleistung, um den gleichen oder verbesserten metabolischen Energievorteil zu erreichen, als in zuvor veröffentlichten Studien aufgezeichnet wurde. „Indem wir den Muskel direkt messen, können wir intuitiver mit der Person arbeiten, die den Exosuit nutzt“, sagte Graduiertenstudent Sangjun Lee. „Mit diesem Ansatz überfordert der Exosuit den Träger nicht, er arbeitet kooperativ mit ihm.“ In realen Situationen getestet, war der Exosuit in der Lage, sich schnell an Änderungen der Gehgeschwindigkeit und Steigung anzupassen.

Als Nächstes will das Forschungsteam das System mit konstanten Echtzeit-Anpassungen testen.