Роботизированные экзоскелеты рассматриваются как будущее промышленности, физической реабилитации и помощи старикам, но прогресс в этой области идёт медленно. Впрочем, всё может измениться благодаря изобретению исследователей из Инженерного колледжа в Университете Карнеги — Меллон. Они разработали систему обратной связи, которая гармонизирует движение роботизированных конечностей с шагами человека.

В течение часа система следит за дыханием носителя — и итеративно меняет 32 режима работы экзоскелета, пока не найдёт самый оптимальный.

Идентификация оптимального паттерна мощности моторов экзоскелета во время ходьбы — сложная задача. У каждого человека есть свои особенности походки, да и характеристики шагов зависят от многих условий, в том числе от поверхности, по которой идёт человек. Для решения этой задачи инженеры применяют метод брутфорса, когда система тестирует разные тайминги и мощности для поиска оптимального режима, дающего наибольшую метаболическую выгоду. Но для измерения метаболической выгоды нужно многократно измерять дыхание носителя, что, в свою очередь, сокращает количество настроек, которые можно опробовать во время брутфорса. То есть и здесь трудно организовать наиболее оптимальную процедуру.

Группа исследователей из Инженерного колледжа в Университете Карнеги — Меллон в своей научной статье описывает алгоритм, который оптимизирует паттерн крутящего момента всех моторов экзоскелета в течении 1-часового итеративного процесса с оценками метаболической экономии в реальном времени. Экзоскелет буквально подстраивается под человека, отслеживая его дыхание.

Во время научных испытаний итеративной системы с человеком «в середине цикла» на нескольких добровольцах система показала среднюю метаболическую экономию 24,2 ± 7,4% по сравнению с ходьбой при выключенном экзоскелете. То есть человек тратит примерно на четверть меньше энергии, когда использует экзоскелет. Такое сокращение немного лучше, чем результаты, полученные другими исследовательскими группами, но это очень хорошие цифры с учётом того, что экзоскелет применялся всего для одной ноги.

Кроме того, после оптимизации алгоритма результаты были улучшены на том же экзоскелете. Но самое главное, что такое обучение происходит гораздо быстрее, чем при использовании стандартного брутфорса и что было продемонстрировано в других исследованиях. Это позволяет опробовать больше разнообразных режимов работы при брутфорсе (см. графики).

Подобная интерактивная схема с постоянным отслеживанием дыхания человека (human-in-the-loop) позволяет приспосабливаться к текущему состоянию человека, к его ходьбе в текущих условиях.

Почему данная методика приспособления к ходьбе человека оказалась гораздо эффективнее, чем другие методы? С 1970 годов учёные показали, что именно вариативная практика способствует приобретению навыка. До этого считалось, что обучение должно осуществляться в постоянных неизменных условиях. Грубо говоря, человек должен повторять одно и то же многократно, чтобы усвоить это и приобрести навык. Но нет. Как выяснилось, практика должна быть вариативной: условия должны меняться — так приобретение навыка идёт гораздо быстрее. С тех пор вариативная практика используется в медицине, спорте, профессиональном обучении. Так вот, алгоритм инженеров Университета Карнеги — Меллон как будто использует этот принцип, который давно применяется для обучения людей. Демонстрируемая тут метаболическая экономия достигается за счёт комбинации эффективной оптимизации крутящего момента и приспособления человека к большому разнообразию паттернов крутящего момента, которые перебираются в процессе.

Авторы научной работы предполагают, что таким способом можно ускорить возвращение полноценных моторных навыков пациентам, у которых эти навыки нарушены, например, после инсультов. Вариабельность крутящего момент экзоскелета обеспечит такое вариабельное учебное окружение, в котором навыки пациента будут восстанавливаться гораздо быстрее. Это примерно как бег по пересечённой местности, который гораздо лучше тренирует ноги, чем бег по ровной беговой дорожке. Вместо того, чтобы ходить с одинаковым усилием каждый день, человеку придётся подстраиваться, менять скорость и усилия: это будет по-настоящему эффективная тренировка.

Кроме того, учёные планируют поставить перед собой ещё одну задачу. Если сейчас главной целью была экономия метаболического баланса (то есть банально экономия сил) при ходьбе, то в будущем они могут поставить новую цель для оптимизации: скорость. В прошлые годы научные исследования показали, что экзоскелеты действительно могут повысить среднюю скорость человека при ходьбе. Пришло время проверить, можно ли это сделать без ущерба для метаболического баланса.

В любом случае, интерактивный экзоскелет, который следит за дыханием ходока и его метаболическим балансом, действует по заданной программе — разве не за этим будущее? Даже здоровый человек не отказался бы от такого прибора. Например, в обычном режиме экзоскелет просто облегчает вам ходьбу. Но если вы опаздываете на встречу — нажимаете кнопку «Турбо», и экзоскелет начинает работать в режиме приоритета скорости.

Научная статья опубликована в журнале Science 23 июня 2017 года (doi:10.1126/science.aan5367).