Как люди ходят при помощи роботов

Малышам сложно научиться ходить также хорошо, как это делают взрослые, но это еще сложнее для тех взрослых, которые восстанавливаются после инсульта, черепно-мозговой травмы или в других случаях, когда требуются месяцы интенсивной, часто мучительной физиотерапии.

После начавшегося недавно бума среди создателей роботизированных экзоскелетов все больше и больше пациентов используют эти устройства, которые добавляют сил их ногам при ходьбе, мягко подталкивают к изменению походки за счет удлинения шага, сгибания в тазобедренном и коленном суставах. Но не всем пациентам приносит пользу такого рода лечение. Группа ученых под руководством Паоло Бонато из Института Висса и директора Лаборатории анализа движения при реабилитационном госпитале Spaulding в Калифорнии обнаружила важную особенность реабилитационных экзоскелетов: люди с закрепленными к медицинским роботам конечностями меняют свою походку только в случае, если усилие робота угрожает их устойчивости при ходьбе.

В опубликованном исследовании ученые показали, насколько изменилась походка испытуемых в ответ на приложенное усилие экзоскелета, когда они ходили по беговой дорожке. К удивлению исследователей, прогуливающиеся корректировали шаг в ответ на изменение его длины, а не высоты, даже когда высота и длина шага были изменены одновременно. Ученые полагают, что это расхождение может быть объяснено первичной ставкой центральной нервной системы на устойчивость, при адаптации к нарушениям нормальной ходьбы. «Поднятие ноги выше в середине шага не сделает вас гораздо менее стабильным, в то время как положение ноги ближе или дальше от центра тяжести тела действительно может нарушить баланс, так что организм приспосабливается гораздо быстрее к этому нарушению», - говорит Джакомо Северини, один из трех авторов исследования.

На самом деле, мозг настолько готов адаптироваться к неустойчивому положению, что для этого он будет расходовать значительное количество энергии, скорее всего потому, что последствия неуверенной ходьбы могут привести к серьезным последствия: сломанным лодыжкам, порванным связкам или даже падению с высоты. Однако этот приоритет устойчивости означает, что другие аспекты походки, такие как высота и угол ступни над землей, могут потребовать коррекции экзоскелетом. Большинство используемых сегодня в клинических условиях роботов не обеспечивают такой настройки.

Мозг создает внутреннюю модель движения тела в зависимости от среды и обычной походки, эффективно предсказывая каждый шаг. Когда реальность отличается от этой модели (т. е., когда применяется сила), мозг корректирует длину шага таким образом, чтобы компенсировать возникающее внешнее усилие. «Результаты нашего исследования позволяют нам понять, как люди приспосабливаются к внешним силам при ходьбе в целом, что будет полезно для клиницистов при оценке реакции их пациентов на воздействия клинических роботов», - говорит Бонато.

«Так как население стареет, робототехника играет все более важную роль в уходе и лечении, - говорит Дональд Ингбер, директор-основатель Института Висса. - Изучение взаимодействия организма человека с роботами может научить нас не только созданию более совершенных клинических реабилитационных устройств, но также выявляет действия человеческого тела».