I eksperimenter med 11 ulykkelige mennesker tok den såkalte human-in-the-loop algoritmen omtrent en time å optimalisere eksoskjelettet, og reduserte etterpå mengden energi som deltakerne trengte å gå med 24 prosent, i gjennomsnitt, sa forskerteammedlem Rachel Jackson, postdoktor i Institutt for maskinteknikk ved Carnegie Mellon University (CMU).
"Størrelsen på reduksjonen var ganske forbløffende," sa Jackson til Live Science.
Jackson og hennes kolleger, ledet av Steven Collins, førsteamanuensis i maskiningeniør ved CMU, og Juanjuan Zhang, tidligere ved CMU og nå professor ved Nankai University i Kina, publiserte resultatene av forskningen sin online i dag (22. juni) i tidsskriftet Vitenskap.
En lett belastning er absolutt tiltalende, men et personlig eksoskjelett kan også øke avstanden en arbeidsdyktig person kan gå, og det kan til og med hjelpe enkeltpersoner til å løpe raskere, sa Jackson.
Personer med fysiske funksjonsnedsettelser, for eksempel de som har fått et hjerneslag, en nevrologisk skade eller en amputasjon, kan også innse fordeler, sa Jackson. Et personlig eksoskjelett kunne gjøre det å gå like enkelt eller lettere enn det var før en amputasjon eller skade, sa hun.
Tidligere var de største gjennomsnittlige energireduksjonene oppnådd av andre forskerteam 14,5 prosent, ved bruk av manuelt justerte ankeleksoskeletter båret på begge bena, og 22,8 prosent ved bruk av en exosuit som virket på begge hoftene og begge anklene ved å bruke forhåndsprogrammerte innstillinger.
Men CMU-human-in-the-loop algoritmen presterte bedre, og den stolte ikke på forhåndsprogrammering.
"Denne algoritmen var så god at den klarte å oppdage en assistansestrategi for å redusere energikostnadene med bare en enkelt enhet," sa Jackson. "Det var ganske kult."
Utfordringen med eksoskjeletter er at selv om de er ment å hjelpe en person, kan de hindre bevegelse, sa Jackson. Til å begynne med har hver enhet sin egen vekt, alt fra noen få gram til et par kilo, og brukeren må bære den vekten. Eksoskjeletter er også designet for å utøve kraft på visse deler av kroppen, men hvis tidspunktet for styrken er av, kan det hende at personen må bruke mer energi på å bevege seg, sa Jackson. Og det er kontraproduktivt.
I optimaliseringsfasen av den nylige studien hadde hver deltaker et eksoskelett i ankelen i tillegg til en maske designet for å måle nivåer av oksygen og karbondioksid (CO2). Disse tiltakene relaterer seg til hvor mye energi personen bruker. Mens hver person gikk på en tredemølle i et jevnt tempo, brukte eksoskjelettet et sett med forskjellige mønstre av hjelp til ankler og tær.
Disse mønstrene var en kombinasjon av når styrken ble påført og mengden styrke. For eksempel kan krefter utøves tidlig i en holdning (når hælen først treffer bakken), i midten av holdningen (når foten er flat) eller sent i holdningen (når foten har rullet opp til tåen). Under disse variasjonene i posisjoner, kan en større eller mindre mengde kraft brukes.
Algoritmen testet deltakernes svar på 32 forskjellige mønstre, som endret hvert 2. minutt. Deretter målte den om mønsteret gjorde det lettere eller vanskeligere for personen å gå.
Ved slutten av økten, som varte bare lenger enn en time, produserte algoritmen et unikt hjelpemønster optimalisert for hver enkelt person.
"Når det gjelder den generelle formen på mønstrene, var det stor variasjon, som taler for viktigheten av å tilpasse disse strategiene til hver person, i stedet for å bruke den samme tingen på alle," sa Jackson.
Hun la til at enheten kan ha fungert bra, ikke bare fordi det var "læring", men også fordi den endret opp mønsteret for hjelp, og den som brukte det, lærte også.
"Vi tenker at det tvinger folk til å utforske forskjellige måter å koordinere ganglaget på for å samhandle bedre med enheten," sa Jackson. Det hjelper deg med å guide personen hvordan han best kan bruke enheten og få størst mulig utbytte av det. "Det er en toveis gate," sa hun.
Andre medlemmer av teamet planlegger å teste hvordan algoritmen kan skaleres opp for å lage et eksoskjelett med seks ledd, designet for å bæres på hele den nedre halvdel av kroppen.
