北卡羅來納州立大學(xué):加速外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)的研發(fā)

在科技日新月異的今天，生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的進(jìn)步尤為引人注目。近日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，報道了北卡羅來納州立大學(xué)蘇浩團(tuán)隊(duì)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破——他們成功開發(fā)了一種模擬框架，這一框架有望極大加速外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)，從而推動外骨骼裝置在現(xiàn)實(shí)世界的廣泛應(yīng)用。

外骨骼機(jī)器人，這一科幻電影中常見的未來科技產(chǎn)物，如今已逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活。它通過穿戴在人體外部，為穿戴者提供額外的動力支持，顯著提升了人類運(yùn)動能力，并為殘疾人士帶來了恢復(fù)運(yùn)動能力的希望。然而，盡管前景廣闊，但外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)開發(fā)卻面臨諸多挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人控制器在匹配不同個體需求和復(fù)雜的人體運(yùn)動時顯得力不從心。它們通常需要依賴大量的人體測試，通過手工制作的規(guī)則來適應(yīng)各種情況，這不僅耗時耗力，而且限制了外骨骼機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。更為棘手的是，之前的模擬研究大多只關(guān)注于外骨骼機(jī)器人的機(jī)械性能，而忽略了控制器設(shè)計(jì)以及人類與機(jī)器人的交互，這使得從模擬過渡到現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用變得困難重重。

為了突破這一瓶頸，北卡羅來納州立大學(xué)的蘇浩團(tuán)隊(duì)迎難而上，成功開發(fā)了一種全新的模擬框架。這一框架的獨(dú)特之處在于，它能夠從人類與裝置的交互中不斷學(xué)習(xí)，從而優(yōu)化控制策略。與傳統(tǒng)的控制器開發(fā)方法相比，這一框架無需進(jìn)行漫長的人體實(shí)驗(yàn)，也無需耗費(fèi)大量的人力資源。

在模擬環(huán)境中，該框架能夠生成人體運(yùn)動、肌肉協(xié)調(diào)和外骨骼控制的三個互聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間緊密相連，形成了一個復(fù)雜的系統(tǒng)。通過對模型進(jìn)行數(shù)百萬次的模擬試驗(yàn)，研究人員驗(yàn)證了框架從人體移動數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的能力。這種能力使得控制器能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測和適應(yīng)人體的運(yùn)動需求，從而提供更為精準(zhǔn)的動力支持。

為了驗(yàn)證控制器在現(xiàn)實(shí)世界中的性能，研究團(tuán)隊(duì)對一名佩戴髖關(guān)節(jié)外骨骼的使用者進(jìn)行了測試。在跑步、走路和爬樓梯等多種活動場景中，控制器均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在行走時，使用者的代謝率降低了24.3%；在跑步時，代謝率降低了13.1%；在爬樓梯時，代謝率降低了15.4%。這些令人矚目的數(shù)據(jù)表明，該控制器能夠在不同活動中成功協(xié)助使用者，減輕他們的運(yùn)動負(fù)擔(dān)。

盡管這一成果令人振奮，但研究團(tuán)隊(duì)并未止步于此。他們表示，目前仍需開展進(jìn)一步的研究來拓寬這些控制器的應(yīng)用范圍，使其能夠適應(yīng)更多的個體和任務(wù)。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，我們有理由相信外骨骼機(jī)器人將在醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。