Algorithmus für Exoskelett reagiert schneller auf Tempo- und Gangartänderungen
Ein spezieller Steuerungsalgorithmus soll Exoskelette ermöglichen, die mit Geschwindigkeits- und Gangartwechseln besser zurechtkommen.
Ein Knöchel-Exoskelett bei Gehversuchen.
(Bild: University of Michigan)
Ein Forschungsteam der University of Michigan ist dem Ziel einen Schritt nähergekommen, ein Knöchel-Exoskelett zu bauen, das sich automatisch an den Nutzer anpassen kann, ohne dass vorher nutzerspezifische Kalibrierungen vorgenommen werden müssen. Dazu haben die Wissenschaftler einen Steuerungsalgorithmus entwickelt, der mit Geschwindigkeitswechseln und Gangartänderungen, wie etwa zwischen Gehen und Laufen, besser zurechtkommt.
Die in Plos One veröffentlichte Studie "Ankle exoskeleton torque controllers based on soleus muscle models" beschreibt einen Algorithmus für ein Knöchel-Exoskelett, der Messungen berücksichtigt, die an Muskeln am Knöchel durchgeführt werden. Dabei wird dort direkt gemessen, wie schnell sich die Muskelfasern ausdehnen und zusammenziehen. Darüber ermittelt der Algorithmus die Menge an chemischer Energie, die der Muskel bei seiner Arbeit verbraucht. Die Ergebnisse werden mit einem biologischen Modell abgeglichen, um darüber dem Träger die gerade nötige Unterstützung durch das Exoskelett zu geben.
Da im Gegensatz zu anderen Messmethoden der Muskelbewegungen bei Exoskeletten bei dem System der Forscher der University of Michigan eine direkte Messung der Muskelphysiologie erfolgt, fallen deren Messungen exakter aus, sodass ein größerer Bereich an Bewegungen erfasst werden könne. Eine ganzheitliche und entsprechend rechenintensive Erfassung der menschlichen Bewegung sei nicht nötig, schreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Im Gegenteil: Die von ihnen entwickelte Methode benötige weit weniger Rechenleistung, um die Muskelaktivität im Knöchel bestimmen und so Rückschlüsse auf die Bewegung des Menschen ziehen zu können.
Dem Knöchel schreiben Leia Stirling und Paul Pridham, der Erstautor der Studie ist, wie andere Forschende an Exoskeletten auch, eine Schlüsselrolle bei der menschlichen Mobilität zu. Entsprechend liegt hier der Schwerpunkt, um etwa körperlich Beeinträchtigen, wie etwa älteren Menschen, wieder mehr Mobilität zurückzugeben, aber auch um etwa weiter und schneller gehen und laufen zu können.
"Dies hat das Potenzial, so gut wie jedem zu helfen", sagt Pridham, "von jemandem, der beruflich viel zu Fuß unterwegs ist, bis hin zu Personen im Militär, die über lange Zeiträume hinweg Aufgaben erfüllen, bis hin zu Menschen mit Muskelkrankheiten, die zusätzliche Unterstützung benötigen, und älteren Menschen, die im Alltag Hilfe brauchen."
Erprobung am Menschen
Getestet haben die Forschenden den Algorithmus bisher nur in Simulationen, bei denen sie auf Daten von Knöchel-Exoskeletten und Messungen zur Muskeldynamik aus früheren Studien zurückgriffen. Den Algorithmus passten sie dabei so an, dass er besser auf Veränderungen der Gangart und der Bewegungsgeschwindigkeit reagierte.
Die von den Wissenschaftlern nachgewiesenen Forschungsergebnisse müssen nun noch am Menschen erprobt werden. Dafür nötige Messungen sollen mit Ultraschall an den Muskelfasern durchgeführt werden. Die Forschenden sehen mit ihrem Algorithmus eine Möglichkeit, Exoskelette entwickeln zu können, die beim Gehen und Laufen besser auf Veränderungen in der Umgebung reagieren können.
(olb)