可穿戴机器人有望帮助老年人保持行动能力，帮助截瘫患者恢复活动能力。它们可以帮助人类变得更强壮、更快。但是，到目前为止，它们并不擅长防止人们跌倒。
人类平衡是一场复杂的舞蹈，即使是最先进的机器人和可穿戴设备，如机器人外骨骼，也难以复制我们的大脑和身体如何协同工作以保持直立。佐治亚理工学院和埃默里大学研究人员的一项新研究正在朝着解决平衡问题迈出第一步。
在15月<>日发表在《科学机器人》杂志上的一篇论文中，该小组表明，踝关节外骨骼必须比我们的身体反应更快才能改善平衡。当外骨骼延迟施加力量时，参与者并没有恢复得更快，直到腿部和脚踝的肌肉同时激活以恢复平衡。
“令人惊讶的是，使用外骨骼的生理延迟辅助根本没有帮助，”乔治亚理工学院的博士后研究员Max Shepherd说，现在是东北大学的助理教授。“我对结果感到惊讶 - 惊喜。我认为这是一个非常迷人的结果。
该团队使用了Dephy Inc.的一双市售踝关节外骨骼靴进行研究。参与者穿上靴子，站在埃默里大学Lena Ting神经力学实验室的定制平台上。
研究人员突然移动了平台 - 他们称之为扰动 - 导致受试者失去平衡并恢复。他们测试了三种情况：没有外骨骼辅助，辅助延迟到与身体的自然反应一致，以及辅助比生理反应更快。他们报告说，在身体的自然反应之前传递脚踝外骨骼扭矩使受试者能够在不采取步骤的情况下承受 9% 更大的扰动;延迟扭矩并没有显示出任何改善。
“许多假肢或外骨骼是由来自人类佩戴者的生理信号驱动的，无论是他们的肌肉活动还是他们的大脑活动，”佐治亚理工学院和埃默里大学华莱士H. Coulter生物医学工程系教授兼麦卡米什基金会杰出Ting说。“你测量脚踝周围的肌肉，每当它继续时，你就会打开exo。这里的含义是，这不利于平衡。
正如合著者格雷格·萨维奇(Greg Sawicki)所说，这些发现为这些机器人工具“翻转了一点叙述”。
“主要的控制方法是窃取人类的反应，然后只是分层。我们在这项研究中展示的是，这绝对不够好，至少对于站立平衡而言，“乔治W.伍德拉夫机械工程学院和生物科学学院副教授Sawicki说。
谢泼德说，不能简单地跟随身体自身的反应来驱动外骨骼的激活，这使得制造一种可以帮助人们在现实世界中恢复平衡的设备变得更加困难。但它也为研究人员提供了令人兴奋的途径，包括使用机器学习方法来检测和响应扰动。
身体对失去平衡的反应只需要150毫秒左右，所以脚踝外骨骼有一个非常小的窗口来激活，如果它们要击败生理反应。在他们的实验中，该团队使用类似于智能手机中的加速度计来跟踪扰动期间脚的加速度并触发exo靴的激活。
注入某种形式的机器学习的更智能的控制器最终可能是有希望的。但是，有趣的是，为这些算法提供数据可能需要远远超出脚踝。
研究人员报告说，来自外骨骼的人工快速辅助破坏了脚踝的初始运动，即使无论靴子是否激活，肌肉活动都是一致的。事实上，脚踝处的局部信号会导致外骨骼在错误的方向上提供扭矩，这会更加不稳定。
该团队表示，这支持了这样一种观点，即肌肉不仅由脚踝的局部感觉信息驱动，而且由来自全身的信息驱动。
Ting说，近50年前的研究表明，全球生理信号在预测身体的平衡纠正行为方面比仅来自脚踝和腿部的局部信息更好。但这些研究还没有以这种方式进行测试。
“这个想法是，你的质心，基本上是你整个身体的净运动，驱动着脚踝肌肉需要做的事情，”Ting说，他也是埃默里大学康复医学系的教授。“我喜欢我们的发现，他们使1970年代的故事现代化，并以非常清晰和适用的术语展示它。我喜欢这个exo现在可能是我们实验室的一个实验设备，可以实际演示当本地信号与全局信号冲突时使用哪个信号。
除了Ting，Sawicki和Shepherd之外，该研究的作者还包括Sawicki实验室的博士后研究员，现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的助理教授Owen Beck;埃默里研究工程师里什·拉斯托吉;博士后乔瓦尼·马蒂诺(Giovanni Martino)，他即将成为帕多瓦大学的助理教授。
“有一件事非常特别，那就是我们能够提出一个关于外骨骼和人类之间相互作用的非常具体的问题，并更多地了解外骨骼如何帮助或破坏人类的生理反应，”谢泼德说。“这项研究是一种非常干净的方式，可以提供改善平衡的见解，这可能成为外骨骼中一个非常非常大的子领域。
为了完善他们的理解，该团队使用动作捕捉技术，并将参与者与肌电图(EMG)和超声波传感器连接起来，这样他们不仅可以详细跟踪脚踝和外靴如何协同工作或相互对抗，还可以跟踪肌肉如何发射和强度。
“这不仅仅是用机器人力量炸毁人们，看看会发生什么。我们还在解释为什么以及皮肤下发生了什么，“Sawicki说。“这是工程设计的重要前进道路。这也是一个信号，你需要在你的机器人实验室周围有一些生理学家，你需要在你的生理学实验室周围有一些工程师。
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