В исследовании, опубликованном в последнем выпуске журнала Science Robotics, исследователи измерили, как походка испытуемых меняется в ответ на силы, прикладываемые экзоскелетом робота, когда они ходят по беговой дорожке. К удивлению команды, ходунки скорректировали свой шаг в ответ на изменение длины, но не высоты своего шага, даже когда высота и длина шага были нарушены одновременно. Ученые считают, что это несоответствие можно объяснить тем, что центральная нервная система (ЦНС) в первую очередь полагается на стабильность при определении того, как приспособиться к нарушению нормальной ходьбы. «Поднятие ступни выше на середине шага на самом деле не делает вас намного менее устойчивым, в то время как размещение ступни ближе или дальше от центра масс может действительно нарушить ваше равновесие, поэтому тело гораздо легче приспосабливается к этому нарушению, "говорит Джакомо Северини, доктор философии, один из трех первых авторов статьи, который сейчас является доцентом Дублинского университетского колледжа.Фактически, мозг настолько готов адаптироваться к нестабильности, что он будет тратить на это значительное количество энергии тела, скорее всего, потому, что последствия шаткой ходьбы могут быть серьезными: сломанная лодыжка, разрыв связок или даже падение. с высоты.
Однако такой приоритет стабильности означает, что другие аспекты ходьбы, такие как высота стопы от земли или угол пальцев ног, могут потребовать лечения, помимо ходьбы в клиническом экзоскелете. «Например, чтобы изменить высоту ступеньки, вам нужно спроектировать силы таким образом, чтобы изменение высоты, которое мозг обычно интерпретирует как нейтральное, затрудняло равновесие пациента», — говорит Северини. Большинство роботов, используемых сегодня в клинических условиях, не допускают такой настройки.
Кажется, что мозг создает внутреннюю модель движения тела, основанную на окружающей среде и его нормальной походке, и эффективно предсказывает каждый шаг. Когда реальность отличается от этой модели (т.
Е. Когда применяется сила), мозг соответствующим образом корректирует длину шага тела, чтобы компенсировать ее, пока сила не будет устранена и тело не перейдет в соответствие с ментальной моделью. «Результаты нашего исследования дают нам представление о том, как люди адаптируются к внешним силам при ходьбе в целом, что полезно для клиницистов при оценке реакции их пациентов на вмешательство клинических роботов», — говорит Бонато, который также является доцентом в Гарвардская медицинская школа (HMS).«Результаты этого исследования очень важны с клинической точки зрения», — соглашается Росс Зафонте, доктор медицины, председатель отделения физической медицины и реабилитации HMS и старший вице-президент по медицинским исследованиям и образованию в реабилитационной больнице Сполдинг. «Благодаря достижениям в понимании взаимодействия между роботами и пациентами, таких как те, которые исследовались в этом исследовании, мы можем разработать эффективную терапию походки с помощью роботов».
«По мере того как человечество стареет, робототехника играет все более важную роль в уходе за ним и лечении», — говорит Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, директор-основатель Института Висса, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS. и Бостонской детской больницы, а также профессором биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS). «Изучение того, как человеческое тело взаимодействует с роботами, может не только научить нас, как создавать более совершенные машины для клинической реабилитации, но и научить тому, как работают наши собственные человеческие тела».