הנוף הדמוגרפי הגלובלי משתנה במהירות.על פי ארגון הבריאות העולמי, שיעור אוכלוסיית העולם מעל 60 שנים כמעט כפול מ-122% עד שנת 2015 עד שנת 2050, השינוי הססיסטמי הזה מציג אתגר עמוק: כיצד לשמור על איכות החיים ועצמאות עבור אוכלוסייה מתקדמת במהירות ההזדקנות.1 מהאיומים המשמעותיים ביותר לעצמאות היא אובדן ניידות, מונע על ידי אחווה (אובדן שרירים), בעוד שרידוריאוסטאוסטאוסטרציה פיזית אחת היא תגובה) וירידה של סרטן השדולה (אוסטרואידאוסטרואידאוסטרואידציה) היא אחת מתחומים) היא אחת, כמו טיפולית (אוסטרואידארית שתן, וירידה פיזית, וירידה רגילה של סרטן.

מאמר זה חוקר את החידושים הביומכניים הספציפיים שהופכים את האקסוסקלונים מטיפוסים ניסיוניים לכלים קיימא לשיקום ושיפור הניידות אצל מבוגרים יותר.אנו נבחן את הטכנולוגיות המתפתלות, לשלוט באלגוריתמים, במדעי החומר, ומאמצים אימות קליניים שמבססים את ההתקדמות הזו, תוך התייחסות גם למכשולים המשמעותיים שנותרו.

הביומכניקה של Aging: What Exoskeletons Must Overcome

כדי לעצב מכשירים יעילים המסייעים, מהנדסים חייבים קודם כל להבין את הבעיה. הביומכניקה של ההזדקנות כרוכה בין-שיח מורכב של שינויים עצביים ושלדלקטים.גייט יורדת בהדרגה, אורך צעד מקצר, וזמן תמיכה כפול (התקופה שבה שני הרגליים על הקרקע) עולה באופן משמעותי עלות מטבולית.זה לעתים קרובות אסטרטגיה מכוננת כדי לשפר את היציבות בפני כוח השרירים ירידה ושליטה, לחץ גמיש יותר על על על על על על על עלות כוח המשיכה בלחץ גבוה יותר לחץ קרסולרית.

טווח משותף של תנועה גם יורד, במיוחד בקרסול ו hip. proprioception, היכולת של הגוף לחוש את המיקום שלו בחלל, דמענים, מה שהופך איזון דינמי יותר קשה. An יעיל exoskeleton עבור אוכלוסייה זו לא יכול פשוט להגביר את ה- torque; זה חייב לעבוד בתיאום עם מערכת הנוירומוסcular של המשתמש.זה חייב לעזור ללא overriding של כוונות המשתמש, לספק יציבות ממוקדת, ללא צורך תאורה יעילה, ללא צורך לגרום אנרגיה.

חידושים אחרונים במחקר ביומכני עבור בקרת Exoskeleton

ההתקדמות העמוקה ביותר בטכנולוגיית אקסקללטון אינה בחומרה עצמה, אלא באלגוריתמים של שליטה (FLT:0) אשר שולטים כיצד המכשיר אינטראקציה עם הגוף האנושי. אלגוריתמים אלה מיודעים יותר ויותר על ידי נתונים ביומכניים בעלי נאמנות גבוהה שנאספו בזמן אמת.

נאמנות גבוהה רגישה וגילויים

exoskeletons מודרני לשמש רשתות חיישן לבישים במקום להסתמך על קלט יחיד, החוקרים הם נתונים ממודולים מרובים כדי ליצור תמונה חזקה של המצב הנוכחי של המשתמש ופעולה מכוונת.

  • (FLT:0) אלקטרוניקה (EMG): חיישנים Surface EMG לזהות את אותות חשמליים המיוצרים על ידי השרירים.על ידי מדידה של אינטנסיביות ותזמון של הפעלת שרירים, exoskeleton יכול לחזות את התוספת הרצויה של המשתמש לפני התנועה אפילו מתחיל.זה שימושי במיוחד עבור סיוע עם מעברים של ישיבה, משימה תובענית מאוד לעיבוד מוקדם.
  • (FLT:0) יחידות מדידה אינפורמטיביות (IMUss:FLT) 1:1 חיישנים קטנים וזולים אלה משלבים אגדרממים, גירוסקופים, ומגנטים כדי לעקוב אחר הכיוון והאצה של מגזרי גוף. על ידי הצבת IMU על סף, ירכיים, ו torso, exosleton canton ו-חושב הברך במפרקים, באמצע השביתה מסוימת, הוא מזהה את המחזור הספציפי של השבר (הזמן).
  • כוח התגובה של ה-GRF (GRF) Sensing:FLT:1 Instrumented insoles or Footplates מודד את הכוחות החל ברגל אל הקרקע.הגודל והמרכז של הלחץ (CoP) הם קריטיים לאיזון הניעו.אם ה-CoP נע במהירות לעבר קצה הבסיס של תמיכה, exoskeleton יכול ליזום איזון נכון.

שליטה אישית Algorithms באמצעות Machine Learning

הגישה החד-ממדית של כל אחד לא נכשלת רובוטיקה מסייעות.תבנית הגאה של כל אדם היא ייחודית, מעוצבת על ידי המבנה האנטומי הספציפי שלהם, חולשות שרירים, והרגלים כפייתיים. Machine Learning (ML) מאפשרת לחוקרים ליצור את FLT:0) מודלים שליטה מבוזרים של שליטה FLT:1 מהנתונים הביו-מכניים. A משתמש יכול בתחילה ללכת ב-Exleicicicicicicsle בעוד חיישנים אופטימאטמיים של זה.

לדוגמה, אלגוריתם ML יכול ללמוד כי משתמש מסוים נוטה לגרור את האצבעות שלהם במהלך שלב נדנדה.האלגוריתם ואז להתאים את הקרסול של exoskeleton ואת פרופיל ה-hhhh במיוחד במהלך החלון הזה כדי לספק מעלית קטנה.עם הזמן, כמו כוח השרירים של המשתמש משתפר או שינויים דפוס ההליכה שלהם, האלגוריתם יכול להתאים את ההתאמה האישית הזאת הוא לא מותרות; זה הכרחי לנוחות, ולהבטיח דבקות, , , דבקות אצל אוכלוסיות מבוגרות.

אופטימיזציה אנושית-in-the-Loop (HITL)

אולי הגבול המרגש ביותר בשליטה של אקסוסקלטון הוא FLT:0 האנושות-in-the-Loop (HITL) אופטימיזציהFLT:1 (טכניקה זו מתייחסת למשתמש האנושי ולפרקליטו כמערכת משולבת.פרמטרי השליטה של האקסוסקלטון (למשל, גודל ותזמון הסיוע) הם מגוונים באופן שיטתי, ותגובתו הפיזיולוגית של המשתמש נמדדת באופן אוטומטי למזער את ההגדרות המרכזיות או אחרת.

מחקר ציוני דרך בתחום, שנערך על ידי חוקרים באוניברסיטת סטנפורד ו קרנגי מללון, הראה כי אופטימיזציה HITL יכול להפחית את העלות המטבולית של הליכה על ידי יותר מ 24% בהשוואה הליכה ללא יציאת אקסוסקטון.זה הושג על ידי כך שהמכשיר יכוון באופן אוטומטי את הסיוע הסיומת שלה על המטוס.עבור אדם מבוגר שעייפות בקלות, ירידה של 24% בביקוש מטבולי היא טרנספורמטיבי, ובכך להרחיב את ההולכים מסיסבוליבינציה מתקדמת לבלוק נתונים מ-מפלקסיביים מתקדמים.

שיפורים בעיצוב המבוססים על תובנות ביומכניות

מחקר ביומכני אינו רק משפיע על התוכנה; הוא מעצב ביסודו את החומרה.הבנת הכוחות, הרגעים וטווחי התנועה המעורבים בתנועה האנושית הטבעית הובילה לעזיבת עיצוב משמעותית ממקרי האקסקטונים הקודמים והגדולים.

התאמות רכות: Paradigm Shift in Physical Human-Robot

exoskeletons נוקשה להשתמש מסגרות מתכת כי לרוץ במקביל עצמות של המשתמש, עם מפרקים תואמים המפרקים הביולוגיים של המשתמש.ההיערכות זו היא קשה לשמצה לשמור באופן מושלם, המוביל לכוחות Shear ולא נוח. בהשראת הביומכניקה של רקמות רכות כמו נוטה ורצועות, החוקרים החלוצים על ידי כוחות Shear ונוחות.

לדוגמה, תביעה רכה לסיוע הליכה עשויה לכלול חגורה, צפי ירכיים, ועגל עטיפות המחוברות על ידי כבלי Bowden. כאשר המפעיל מושך, הוא מסייע flexion היפ או צמח הקרסול, מחקה את הפעולה של השרירים הביולוגיים.חוסר של מסגרת נוקשה הופך את ההתאמה הקלה (לעתים מתחת 5kg), באופן דרמטי מפחית את הסיכון של הדבקה משותפת, ומאפשר גישה לשימוש ישיר של שרירים מימיים.

משקל אור, חומרים דליקים וניהול אנרגיה

האינרציה של האקסוסקלטון עצמה תורמת לעלויות המטבוליות של המשתמש.כל קילוגרם נוסף על הגפיים מגביר את המאמץ הנדרש כדי להעביר אותו.מחקרים ביומכניים הגדירו את "העלות המטריאליסטית של מסה" במקומות שונים בגוף, וחושף כי המסה על פלחי האלומיניום (feet, Shanks) היא הרבה יותר זולה מאשר המונית על התרמיליפיות הפרו-מרחביות (מסוגים), כמו חומרים מסובבים כבדים).

יתר על כן, ביומכניקה מודיעה על FLT:0 אנרגיה יעילה אקטורציה 1:1 ; הליכה אנושית כרוכה חליפין טבעי של אנרגיה קינטית ופוטנציאלית מהנדסים מעצבים exoskeons כי שימוש מעיינות ומצמדים לאחסון ושחרור אנרגיה ברגעים הנכונים. לדוגמה, מפרק קרסולי מכוס האביב יכול לאחסן אנרגיה במהלך עמדה מוקדמת (כפי שגורם למניעה) ומניעה את הטיפול באנרגיה משמעותית ברגעים של אנרגיה, ללא לחץ דם מתמשך של אנרגיה.

אימות קליני ו- User-Centered Outcomes

המבחן האולטימטיבי של יציאת אקסוסקלטון אינו המפרט הטכני שלו, אבל יעילותו הקלינית וקבלת המשתמשים שלו.ניתוח ביומכני מספק את המדדים הכמותיים כדי להוכיח כי מכשירים אלה לשפר את הניידות בעולם האמיתי.

מניעת Fall Prevention ו- Gait Stability Metrics

פולס הם גורם מוביל לפציעה ול אשפוז בקרב קשישים.בימכאאני מחקר זיהה מבשרים ספציפיים ליפול, כולל הגדלת רוחב צעד פנוי, הפחית את היציבות הבינונית, וגרם ללקות מחדש. הדור הבא של exoskeletons נועדו לטפל באופן פעיל בגירעון אלה.שימוש בנתונים IMU כדי לפקח על מרכז הדינמיקה ההמונית, exosleton יכול לספק "n" קטן כדי למנוע את הירכיים או להגיב מהר יותר מאשר להזיז את התגובה האנושית.

ניסויים קליניים מתחילים להשתמש בתוצאות ביומכניות אומתיות כמו FLT:0 [Timed Up and Go (TUG) FLT:1, TheFLT:2Berg Balance Scale (BBS)FLT 3LT 3, ו- nged gait Analysis (למשל, פרמטרים זמניים) כדי לכמת את היתרונות המוקדמים הללו, להראות כי ניתן לחבוש סיכון משמעותי לאוכלוסיות פתוחות, כמו גם להורדת ערך לשחיקה, כמו בתנאי חירום, ולצמצם באופן משמעותי, כמו גם לסיכון לסיכון להורדת ערך מוסף, ולצמצם באופן משמעותי, לאוכלוסיות שסביר את הסיכון לשחיתותרפיון, ולצמצם את הסיכון לסיכון לצמצום של מחלות לאחר מכן, ולצמצם את הסיכון לצמצום משמעותי, ולצמצם את הסיכון לשחיתותרפיון, ולצמצם את הסיכון לאוכלוסיות שסביר את הסיכון לאוכלוסיות שיגרום לסיכון סביר יותר, ולצמצם את הסיכון לסיכון לסיכון לאוכלוסיות שברשותו.

אחריות המשתמש ושימושיות מעשית

אפילו המכשיר היעיל ביותר להיכשל אם זה לא נעשה שימוש. מחקר ביומכני הוא גם מיושם ארגונומיה של שימוש exoskeleton. גורמים מרכזיים המשפיעים על דבקות כוללים:

  • (FLT:0) ,ase of Donning and Doffing:cioFLT:1 Exoskeletons הדורש 15 דקות ומטפלים פיזיים לשים על עצמם הם לא מעשיים. עיצובים חדשים להתמקד על buckles חיבור מהיר, סגרים מגנטיים, ו cuffing עצמית.
  • (FLT:0) Thermal Comfort: 1FLT: לובשת חליפה מופעלת יכול למלכוד חום ולגרום הזיעה.טקסטיל נשימת ואסטרטגיות קירור פסיביות מוערכות באמצעות מאניקינס תרמי וסקרי נוחות של משתמשים.
  • (FLT:0) שקיפות של סיוע: 1FLT:1 â € 1 â € ¢ â ¢ â ¢ â ¢ ¢ â ¢ ⁇ â ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אתגרים עתידיים ואתגרי Unmet

בעוד ההתקדמות מרשימה, השדה נשאר בשלבים המוקדמים שלו. אתגרים טכניים, כלכליים ורגולטוריים משמעותיים יש לטפל בהם עבור FLT:0exoskeletons עבור ניידות קשישיםFLT:1 כדי להשיג אימוץ קליני נרחב.

עלויות ודרכי אחריות

עלויות exoskeletons זמין מסחרית הנוכחית בין $ 40,000 ל 100,000 $, הצבת אותם רחוק מלהגיע עבור רוב האנשים. נהיגה עלות ידרוש פריצות דרך בייצור, עיצוב אקטוטור, וטכנולוגיה סוללה. יתר על כן, הקמת מסלולים החזר חזק דרך Medicare וביטוח פרטי הוא קריטי.זה דורש יצירת ראיות קליניות באיכות גבוהה להוכיח כי השימוש exoskeleton להפחית אשפוזים הקשורים ירידה ועיכובים עבור טיפול רפואי חיובי.

רגולציה מדע ובטיחות תקני

מינהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) וגופים בינלאומיים פועלים להקמת מסגרות רגולטוריות ברורות למכשירים אלה. Exoskeletons מסווגות לעתים קרובות כמכשירים רפואיים של Class I או Class II, המחייבים 510(k) סטנדרטים בטיחותיים ברורים, כגון FLT:0 ISO 1348FLT:1, דרישות השקעה עבור רובוטים אישיים, כולל הערכה, פונקציות חירום, לעצור, למנוע סוללות חיוניות עבור פיתוח אבטחה מורכבת, אך דורשות אבטחה חיונית עבור פיתוח של בטיחות.

שילוב עם Smart Living and Telehealth

עתיד הניידות הקשישה קשור ככל הנראה.דמיין יציאתו של אדם שלא רק עוזר עם הליכה אלא גם לפקח על קצב הלב של המשתמש, רמת הפעילות ואיכות הגאהה. נתונים אלה יכולים להיות מועברים אלחוטיים למטפלים פיזיים, המאפשרים ניטור מרחוק והתאמות לפרוטוקול הסיוע מבלי לדרוש ביקור מרפאה.

מסקנה

המסע של האקסוסקלטון מכלי תעשייתי נוקשה למכשיר עזרי, בעל פה הוא עדות לכוח של ביומכניקה יישומית.על ידי לימוד מעמיק של המורכבות של התנועה האנושית, האיזון, ותפקיד השרירים, החוקרים מעצבים מכונות שיכולות לעבוד באמת בתיאום עם הגוף האנושי.החידושים האלה בחישה, בקרה, וחומרים הם ישירות לגירעון כי הם מאיימים במהירות את הצמיחה העולמית, בעוד שעדיין לא ניתן לתחזק את המהירות של ההתפתחות הקלינית שלנו.