哈佛大学柔性外骨骼再升级！利用超声波呈像可在几秒内适应肌肉状况

想拥有一款为你量身打造的外骨骼机器人吗？

和钢铁侠那一身铠甲不同，这是一款柔性外骨骼，并且外观十分低调。

穿上它，它可以在几秒内跟上你的节奏，走路跑步都很省劲，你甚至会感觉自己还没出力，人就已经窜出去了……

诶？怎么越看越眼熟，是不是很像两年前哈佛大学开发的那款‘超人短裤’。

没错，它们都出自一所高校，不同的是这次哈佛大学使用了一种新方法，可以让柔性外骨骼仅在几秒内校准使用者的肌肉状况，突破了目前外骨骼机器人的动态适应能力，可更好地实现定制化。

▍柔性外骨骼设计难点

我们在走路时，会根据周边环境来不断变化步态和速度，走路的方式也受到性别、身高、年龄和肌肉力量等的影响，而老年人和中风等疾病的患者的行走方式更加不同。

个体的不同、步态的动态变化，都成为了可穿戴设备进入现实生活的挑战。

目前，大多数可穿戴设备的工作原理主要有两种：

1. 传感器测量步态变化及生理反馈，然后迭代更新辅助配置和参数，这种方法可以显著降低使用者的能量消耗，但需要数小时的手动或自动调整；

2. 利用表面肌电信号（EMG）模拟使用者的意图，具有个体化和适应性的优点，但其局限性是表面肌电信号不能完全捕获基础肌肉肌腱动力学。

为了解决以上问题，哈佛大学的研究人员开发了一种基于肌肉的辅助策略，对小腿比目鱼肌肉进行直接测量，可以让柔性外骨骼快速适应使用者的动态变化。

▍给肌肉做B超，几秒内捕捉肌肉轮廓

研究人员利用一个日常常见的技术解决了这个问题——B超。

在行走中，大部分力与小腿上的比目鱼肌相关，研究小组将便携式超声波系统绑在参与者的小腿上，并在他们使用不同步态走路时捕捉比目鱼肌的连续二维图像序列。

通过对这些图像进行处理，可以测量肌肉收缩的速度，根据该速度分布，就可以估计出肌腱中产生的拉伸，乘以肌腱准刚度，就能得到小腿肌肉平行施加的辅助力，以满足柔性外骨骼抵消小腿肌肉产生正能量和减少能量消耗的需求。

该方法只需要几秒钟的步行，甚至一步就足以捕捉肌肉的轮廓。

对于每一个超声波生成的剖面图，研究人员还测量了使用者在穿着和不穿着该柔性外骨骼行走时所消耗的代谢能量。他们发现，穿戴外骨骼显著降低了使用者在一系列步行速度和坡度上行走的代谢能量。

▍让外骨骼更好地适应现实世界

这项研究由哈佛大学Wyss生物启发工程研究所与哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员完成，发表在知名期刊《Science Robotics》上。

使用超声波测量肌肉动力学的方法，可以让柔性机器人外骨骼在几秒钟内校准到个人身上，适应各种现实世界的行走任务，为用户开发个性化和特定于活动的辅助模式。

论文的合著者Robert D.Howe博士表示：“这种方法能够相对快速地生成个性化的辅助模式，为步行者提供真正的益处，有助于支持可穿戴机器人在现实世界的动态环境中的应用。”

下一步，研究团队的目标是对系统进行持续的实时调整，改进估计方法和闭环控制器，实现对现实世界任务的实时动态控制。

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