一條合身的短褲看起來可能不太像好萊塢電影中的高科技機器人外骨骼。但這種看似簡單的裝置，在穿著者邁出每一步時拉動腿部，可能代表著首款能夠顯著輔助人類行走和跑步的外骨骼。
直到最近，還沒有任何外骨骼設計成功地減少行走和跑步這兩種運動所需的能量。早期幾代此類套裝，也稱為可穿戴機器人，在這一挑戰中受挫，原因是行走與跑步所需的生物力學動作不同。現在，研究人員開發出一種柔軟的裝置，可以自動檢測穿戴者是在行走還是跑步，併為這兩種運動提供適當的輔助。
“穿戴該系統大約 15 分鐘後，你開始懷疑它是否真的有幫助，因為你感覺就像在正常行走，”哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所的機器人工程師 David Perry 說。“然而，一旦你關閉它，你的腿突然感覺沉重，你才意識到它提供了多大的幫助。這很像走下機場的自動人行道一樣。”
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為了量化僅用腿部力量移動和使用機器人輔助之間的差異，研究人員讓穿戴者在跑步機上行走，並計算他們在呼吸時消耗的氧氣量，這是一種稱為代謝成本的衡量標準。外骨骼顯示，它可以將行走的代謝成本降低 9%，跑步的代謝成本降低 4%。研究人員表示，這種效果相當於行走時感覺體重減輕了 16.3 磅，跑步時感覺體重減輕了 12.6 磅。這一結果可能使任何需要快速徒步行走長距離的人受益：在大型災區搜尋的救援人員、行軍中的美國陸軍士兵或海軍陸戰隊員，甚至是為了樂趣而遠足的徒步旅行者。它還可以為患有疾病或受傷而限制行走的人提供穩定的醫療援助。
Perry 和他的同事在本週發表在《科學》雜誌上的一篇論文 中詳細介紹了他們的原型。這款可穿戴機器人依賴於柔軟的紡織材料，重量僅為 11 磅——相對較低的重量有助於降低額外負重跑步的代謝成本。穿在下背部的電動機將力施加到連線到纏繞在每條腿大腿上的柔軟腿套上的電纜上。綁在腰部的電池提供足夠的電力，以幫助穿戴者在兩次充電之間行走約五英里。
之前的研究測試了行動式髖部和踝部輔助裝置，發現後者可以幫助行走，前者可以幫助行走或跑步。但開發這款新型外骨骼的科學家表示，在此之前，沒有任何單獨的裝置能夠證明其有能力輔助這兩種運動。“這項研究建立在研究團隊先前在開發踝部輔助裝置方面取得成功的基礎上，表明透過髖部輔助也可以實現益處，”範德比爾特大學機械工程助理教授、HeroWear 公司首席科學官 Karl Zelik 說，該公司目前正在開發舉重輔助外骨骼。作為一位未參與最近研究的專家，他稱讚其結果“很有前景”。
為了幫助外骨骼在行走和跑步模式之間自動切換，該團隊安裝了能夠測量力和角運動的感測器。它訓練了一種控制演算法，根據這些感測器的反饋來檢測行走和跑步模式。該演算法最終學會了區分人體質心在行走時的運動方式（其中它像一個“倒立擺”，髖部隨著每一步向前擺動越過著地的腳）和跑步時的運動方式（其中它像一個“彈簧-質量”系統，每條腿像連線到髖部的彈簧一樣彈跳）。
除了在最小坡度和恆定速度下進行的跑步機主要實驗外，一位男性研究參與者還進行了額外的跑步機測試，模擬了更真實的條件。內布拉斯加大學奧馬哈分校生物力學助理教授、該研究的合著者 Philippe Malcolm 說，結果表明，外骨骼也有助於上坡行走和在平坦表面上以不同速度跑步。“我們取得的令人興奮的進展以及我們在本研究中看到的結果為其他研究奠定了基礎，在這些研究中，我們可以評估該裝置在其他戶外環境中的表現，例如丘陵和山區地形，”Malcolm 說。
外骨骼的早期資金主要來自美國國防高階研究計劃局，透過其“戰士網路”計劃，該計劃旨在減輕美國軍隊在行軍或徒步巡邏期間的負荷。由於大多數美國士兵是男性，該系統的早期設計和測試都集中在男性的體型上。但研究人員一直在為女性和更廣泛的潛在穿著者（例如各種殘疾人士）開發新版本的外骨骼。
Perry 和他在哈佛大學的同事已經為外骨骼元件申請了專利，並與 ReWalk Robotics（一家專注於仿生系統的醫療裝置公司）建立了許可協議。該公司已經發布了一款商業踝部裝置，以幫助中風患者康復，並且正在探索基於髖部外骨骼系統的醫療應用。研究人員還在開發新版本的外骨骼，其重量將比當前型號輕 60%，並將根據每位穿戴者的體型和步態定製其輔助功能。
芝加哥雪莉·瑞安能力實驗室（一家轉化研究醫院）腿部與行走實驗室的科學主席 José Pons 說，個性化步態輔助功能對於中風患者或老年人尤其困難，因為他們的行走和跑步模式不太穩定且不可預測。他沒有參與這項新研究，但確實在同一期《科學》雜誌上撰寫了一篇關於該研究的評論文章。即使是像這款外骨骼這樣的先進外骨骼中的步態檢測演算法，也可能難以檢測到不太可預測的運動何時即將發生變化。“理想情況下，運動意圖應該在運動實際執行之前被檢測到，以便輔助可以與期望的運動同步，”Pons 說。“否則，輔助可能會被感覺為對抗運動而不是輔助運動。”在他的評論文章中，Pons 建議，未來的外骨骼將需要新的神經介面來直接檢測透過神經系統訊號傳遞的人類意圖，而不是依賴演算法。他說，像這樣的技術可以幫助外骨骼向前邁出重要一步。