一条合身的短裤看起来可能不太像好莱坞电影中的高科技机器人外骨骼。但这种看似简单的设备，在穿着者迈出每一步时拉动腿部，可能代表着首款能够显著辅助人类行走和跑步的外骨骼。
直到最近，还没有任何外骨骼设计成功地减少行走和跑步这两种运动所需的能量。早期几代此类套装，也称为可穿戴机器人，在这一挑战中受挫，原因是行走与跑步所需的生物力学动作不同。现在，研究人员开发出一种柔软的设备，可以自动检测穿戴者是在行走还是跑步，并为这两种运动提供适当的辅助。
“穿戴该系统大约 15 分钟后，你开始怀疑它是否真的有帮助，因为你感觉就像在正常行走，”哈佛大学怀斯生物启发工程研究所的机器人工程师 David Perry 说。“然而，一旦你关闭它，你的腿突然感觉沉重，你才意识到它提供了多大的帮助。这很像走下机场的自动人行道一样。”
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
为了量化仅用腿部力量移动和使用机器人辅助之间的差异，研究人员让穿戴者在跑步机上行走，并计算他们在呼吸时消耗的氧气量，这是一种称为代谢成本的衡量标准。外骨骼显示，它可以将行走的代谢成本降低 9%，跑步的代谢成本降低 4%。研究人员表示，这种效果相当于行走时感觉体重减轻了 16.3 磅，跑步时感觉体重减轻了 12.6 磅。这一结果可能使任何需要快速徒步行走长距离的人受益：在大型灾区搜寻的救援人员、行军中的美国陆军士兵或海军陆战队员，甚至是为了乐趣而远足的徒步旅行者。它还可以为患有疾病或受伤而限制行走的人提供稳定的医疗援助。
Perry 和他的同事在本周发表在《科学》杂志上的一篇论文 中详细介绍了他们的原型。这款可穿戴机器人依赖于柔软的纺织材料，重量仅为 11 磅——相对较低的重量有助于降低额外负重跑步的代谢成本。穿在下背部的电动机将力施加到连接到缠绕在每条腿大腿上的柔软腿套上的电缆上。绑在腰部的电池提供足够的电力，以帮助穿戴者在两次充电之间行走约五英里。
之前的研究测试了便携式髋部和踝部辅助设备，发现后者可以帮助行走，前者可以帮助行走或跑步。但开发这款新型外骨骼的科学家表示，在此之前，没有任何单独的设备能够证明其有能力辅助这两种运动。“这项研究建立在研究团队先前在开发踝部辅助设备方面取得成功的基础上，表明通过髋部辅助也可以实现益处，”范德比尔特大学机械工程助理教授、HeroWear 公司首席科学官 Karl Zelik 说，该公司目前正在开发举重辅助外骨骼。作为一位未参与最近研究的专家，他称赞其结果“很有前景”。
为了帮助外骨骼在行走和跑步模式之间自动切换，该团队安装了能够测量力和角运动的传感器。它训练了一种控制算法，根据这些传感器的反馈来检测行走和跑步模式。该算法最终学会了区分人体质心在行走时的运动方式（其中它像一个“倒立摆”，髋部随着每一步向前摆动越过着地的脚）和跑步时的运动方式（其中它像一个“弹簧-质量”系统，每条腿像连接到髋部的弹簧一样弹跳）。
除了在最小坡度和恒定速度下进行的跑步机主要实验外，一位男性研究参与者还进行了额外的跑步机测试，模拟了更真实的条件。内布拉斯加大学奥马哈分校生物力学助理教授、该研究的合著者 Philippe Malcolm 说，结果表明，外骨骼也有助于上坡行走和在平坦表面上以不同速度跑步。“我们取得的令人兴奋的进展以及我们在本研究中看到的结果为其他研究奠定了基础，在这些研究中，我们可以评估该设备在其他户外环境中的表现，例如丘陵和山区地形，”Malcolm 说。
外骨骼的早期资金主要来自美国国防高级研究计划局，通过其“战士网络”计划，该计划旨在减轻美国军队在行军或徒步巡逻期间的负荷。由于大多数美国士兵是男性，该系统的早期设计和测试都集中在男性的体型上。但研究人员一直在为女性和更广泛的潜在穿着者（例如各种残疾人士）开发新版本的外骨骼。
Perry 和他在哈佛大学的同事已经为外骨骼组件申请了专利，并与 ReWalk Robotics（一家专注于仿生系统的医疗设备公司）建立了许可协议。该公司已经发布了一款商业踝部设备，以帮助中风患者康复，并且正在探索基于髋部外骨骼系统的医疗应用。研究人员还在开发新版本的外骨骼，其重量将比当前型号轻 60%，并将根据每位穿戴者的体型和步态定制其辅助功能。
芝加哥雪莉·瑞安能力实验室（一家转化研究医院）腿部与行走实验室的科学主席 José Pons 说，个性化步态辅助功能对于中风患者或老年人尤其困难，因为他们的行走和跑步模式不太稳定且不可预测。他没有参与这项新研究，但确实在同一期《科学》杂志上撰写了一篇关于该研究的评论文章。即使是像这款外骨骼这样的先进外骨骼中的步态检测算法，也可能难以检测到不太可预测的运动何时即将发生变化。“理想情况下，运动意图应该在运动实际执行之前被检测到，以便辅助可以与期望的运动同步，”Pons 说。“否则，辅助可能会被感觉为对抗运动而不是辅助运动。”在他的评论文章中，Pons 建议，未来的外骨骼将需要新的神经接口来直接检测通过神经系统信号传递的人类意图，而不是依赖算法。他说，像这样的技术可以帮助外骨骼向前迈出重要一步。