人工智能减少了使用外骨骼的努力和压力 | 技术

人工智能 (AI) 可以帮助改善外骨骼的运动，让佩戴者更容易消耗更少的能量并降低压力水平。今天发表在《 自然 具有超智能控制器，可利用 AI 数据和虚拟模拟来训练机器人结构，而无需进行人体测试。这些设备可以改善残疾人和非残疾人的运动能力，但它们的适应需要工作和金钱。“在外骨骼控制器的开发过程中进行人体测试需要很长时间，”郝苏解释说， 机械与航空航天工程教授 北卡罗来纳大学，这项研究的主要作者。“在模拟环境中进行这项工作可以改善开发过程，并且通过足够精确的模型，可以模拟具有特定运动限制或条件的受试者。这些受试者的努力和压力减少了，并且收集他们进行测试的后勤工作也减少了，”他补充道。

洛杉矶 可穿戴外骨骼 研究中的机器人手臂分别对应人体的不同关节：髋关节、膝关节、肩关节和手关节。这些设备有助于减少人们的体力消耗，例如，对于工厂工人或宇航员来说。它们使行走和下蹲变得更容易，而其他设备则仅有助于行走。苏解释说，如果起步需要 100% 的努力，机器人会提供 30% 的帮助，因此人类只需要 70% 的努力。对于宇航员来说，机器人可以帮助他们避免骨质流失，从而模拟在微重力环境中的正常行走：“在失重环境中长时间停留时，骨骼的卸载会增加骨密度和抵抗力下降的风险”。

加州大学机械与航空航天工程系教授 Alexandra S. Voloshina 在研究随附的文件中解释说，该装置可放置在腿部的一个或多个关节中，并具有内置电机来弯曲或伸展关节。这样一来，“腿部肌肉就可以放松，系统就可以承担工作量了。” 对于未参与这项研究的瓦伦西亚理工大学系统工程与自动化教授 Juan Ernesto Solanes 来说，该系统还具有其他优势：“它可以将手臂的重量转移到身体核心，从而减轻身体压力。它能够减少某些工作中固有的体力消耗，从而降低工人发生肌肉骨骼损伤的风险。”

到目前为止，外骨骼的开发需要经过漫长的实验过程，需要对许多人进行实验。研究模型基于特定人的真实数据，即人的数字孪生，以协助他们的运动。人工智能将髋关节数据（角度和速度）与外骨骼生成的轮廓相关联。此外，外骨骼的成本非常高，因为它需要数小时的人类测试。一般来说，价格在 46,000 至 116,000 欧元之间。然而，这项研究的设备会更便宜：“我们计划以大约 2,000 至 3,000 美元的价格出售它。” [unos 1.800-2.800 euros] 得益于创新 硬件 以及基于人工智能的算法，”苏补充道。

索拉内斯表示，目前外骨骼的局限性之一是它们需要依赖外部能源才能发挥作用。然而，这项研究的机器人髋关节结构产生了迄今为止最大的代谢率降低，步行时能量消耗减少了 24.3%，跑步时减少了 13.1%，爬楼梯时减少了 15.4%。苏补充说：“这项研究正在将科幻小说变成现实，让人们在执行不同任务时消耗更少的能量。”

外骨骼通常不考虑用户的舒适度或限制他们的自然运动，正如 Solanes 所解释的那样：“人机交互必须尽可能自然，这样设备才有用且干扰性更小。”他补充道：“它可能会产生与预期相反的效果，导致用户精神疲劳或身体受伤。“精神疲劳是由于必须不断适应外骨骼提供的帮助，从而阻碍了自然互动。”

该系统的人工智能算法可帮助年轻人和老年人。髋关节外骨骼可帮助健全人进行步行、跑步和爬楼梯等活动。“这反映在进行这些活动时代谢成本的降低，从而使用户可以更长时间地进行这些活动，”苏解释说，他补充说，他们还开发了一种儿童膝关节外骨骼，可提高社区环境中脑瘫儿童的活动能力。根据西班牙脑瘫患者护理协会联合会的数据，在西班牙出生的每 500 名儿童中，几乎有 1 名患有儿童脑瘫。

研究之外的专家一致认为，该方法对外骨骼的发展具有研究价值。然而，机械工程教授 Massimo Cenciarini 加泰罗尼亚理工大学，想知道它是否适用于跳跃等活动，或更动态的任务，如转身、站立或坐下。尽管外骨骼的控制取得了巨大进步，但 Cenciarini 承认，对于部分脊髓损伤患者或中风患者，可能需要做更多的工作。

Su 承认，如果训练数据有偏差或不完整，或者由于架构选择不当，系统可能会产生错误，如果手头的任务非常困难，系统将很难提供良好的解决方案。尽管如此，Cenciarini 预测：“这种方法可能会加速其他外骨骼的控制策略的开发，并加速用于辅助和康复影响运动的神经系统疾病（如帕金森病或中风）的外骨骼的开发。”

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