外骨骼研究证明了训练的重要性

外骨骼研究证明了训练的重要性
研究生关荣谭在生物机电实验室的脚踝外骨骼模拟器中行走。图片来源:关荣谭和迈克尔雷托

研究人员说,外骨骼设备有多种用途,例如加快我们的步行速度或使跑步更容易。然而,他们不知道究竟是什么使外骨骼有效。例如,定制有什么好处?简单地习惯外骨骼有多大影响?斯坦福大学斯坦福生物机电一体化实验室的研究人员研究了这些问题,发现训练在外骨骼提供帮助方面起着非常重要的作用。

“人们在学习新任务方面表现出色,”博士 Katherine Poggensee 说,他是斯坦福生物机电实验室的前成员。“因此,仅通过培训——让人们有时间学习如何自己使用设备——他们就可以从我们的设备中受益匪浅。”

为了揭开外骨骼成功的秘密,Poggensee 和机械工程副教授兼生物机电一体化实验室负责人史蒂夫柯林斯监测了 15 人的进度,这些人配备了脚踝外骨骼模拟器 – 一种连接到鞋子和小腿周围的装置一个人的腿并模仿动力外骨骼,但允许通过基于实验室的特殊控制器进行大量定制和微调。

这些人以前从未使用过外骨骼,虽然他们都从训练中受益,但不同的方法产生了截然不同的结果。与关闭外骨骼行走相比,接受最有利训练条件的参与者在外骨骼辅助下行走时消耗的能量减少了近 40%。在所有参与者中,研究人员确定训练贡献了外骨骼提供的整体益处的一半左右。9 月 29 日发表在Science Robotics 上的一篇论文详细介绍了这项研究。

“给我们同事的主要信息是:我们需要提升我们的实验性游戏。我们需要真正训练人们,”柯林斯说,他将外骨骼体验描述为不像穿上超级英雄的智能盔甲,而更像是骑自行车。“一旦你学会了如何做得好,你就可以穿上外骨骼开始走路,这很容易——但成为专家确实需要一段时间。”

花时间

研究人员关注三个主要问题:我们能否通过给人们一个设备并让他们长时间行走来训练他们使用外骨骼?如果我们让人们接触各种外骨骼行为,我们能帮助他们更快地训练吗?而且,一旦人们接受了全面培训,外骨骼的定制控制如何影响表现?

参与者被分为三个主要小组,每个小组都经历了五天的培训。一组接受外骨骼模拟器的通用帮助(基于过去对参与者的帮助),另一组在整个研究过程中根据他们的特定需求不断优化设备,第三组经历了每天重置的优化。正如预期的那样,持续优化组的参与者看到了能量消耗的最大下降,并且由于他们接触到了一些外骨骼行为的多样性,因此更快地获得了这些好处。

“我们没想到的是人们做得这么好,”波根西说。

最有利的群体——持续优化和适度多样化——是那些将能源成本降低了近 40% 的人。(而且许多参与者甚至没有意识到外骨骼的帮助有多大,直到他们在关闭外骨骼的情况下恢复行走。)通过比较所有测试,研究人员确定训练对这种改善负责大约一半,大约四分之一是由于到定制。Poggensee 强调,对于有行动不便的人来说,定制可能更为重要。

另一个惊喜是参与者成为“专家”需要多长时间,研究人员将其定义为他们的能量改善达到稳定水平的点。这在外骨骼模拟器中花费了大约两个小时,相当于步行 5 英里。这听起来可能不会很长,但它是实验室研究的重大承诺。

“对于未来产品的用户来说幸运的是,我们希望人们在使用设备的第一周内积累大量曝光。因此,它不应该抑制人们或阻止人们成为这种情况下的专家,”柯林斯说,他还是斯坦福大学以人为中心的人工智能 (HAI) 的教职员工,该研究所为这项研究提供了资金。“但是,如果我们真的想了解人们如何对实验室中的某些新设备做出反应,我们将需要冗长的协议。”

更好的培训

这项研究指出了更好地理解培训的价值,包括人们如何习惯移动设备以及如何改进培训。

“对我来说,一个重要的收获是我们需要让我们的参与者推动我们的研究,”Poggensee 说。“我们需要给他们时间来实际学习如何使用该设备,这样我们就不会干扰任何学习。”

即使参与者获得专家资格,在数十小时的培训中,他们的表现仍然缓慢提高,这一事实也激起了团队的兴趣。为了真正充分利用外骨骼,研究人员可能需要研究人们的身体自身是如何适应的;例如,加强肌肉以更好地利用设备的方式。

目前,柯林斯和他的实验室正在研究如何加快专业知识的获取,包括与斯坦福大学计算机科学家 Emma Brunskill 的合作。他对外骨骼成为许多人生活中司空见惯的设备的潜力越来越乐观。

“外骨骼即将到来,”柯林斯说。“它们会改善你的生活,一旦你习惯了它们,你甚至可能不会注意到。”

本文为作者 何斌 独立观点,并不代表 我是CIO 立场。

发表评论

登录后才能评论