Dostosowywanie wspomagania egzoszkieletu biodrowego podczas chodzenia z udziałem użytkownika

Pomaganie ludziom w chodzeniu przy mniejszym wysiłku

Wyobraź sobie możliwość regulacji przenośnej pomocy do chodzenia tak łatwo, jak ustawiasz dźwięk w słuchawkach. W tym badaniu sprawdzono, czy ludzie potrafią szybko nauczyć robotyczne urządzenie biodrowe, by wspierało ich chód w sposób przyjemny i energooszczędny, polegając wyłącznie na własnych odczuciach, zamiast na złożonym sprzęcie laboratoryjnym.

Robotyczny pomocnik przy biodrach

Badacze użyli egzokostiumu biodrowego — lekkiej ramy z silnikami przy biodrach, które wspomagają ruchy nóg podczas chodzenia na bieżni. Zamiast polegać na inżynierach, którzy wstępnie zaprogramowaliby, kiedy urządzenie powinno pchać lub ciągnąć, zespół dał każdemu uczestnikowi mały pilot ręczny. Dzięki niemu mogli przesuwać cztery kluczowe momenty w cyklu chodu, gdy egzoszkielet zmieniał kierunek działania lub dostarczał najsilniejszą pomoc. Przed nimi znajdował się ekran pokazujący proste krzywe wzoru wspomagania, aby widzieli, jak ich zmiany wpływają na odczuwane wsparcie.

Pozwolenie użytkownikom na samodzielne dostrajanie wsparcia

W badaniu wzięło udział jedenaście dorosłych osób bez zaburzeń chodu. Po krótkim okresie zapoznania się każda osoba chodziła w egzoszkielecie i korzystała z pilota, badając różne wzory wspomagania. Poproszono ich, by przeszukali cały zakres możliwości i wybrali wzór, który wydawał się najlepszy i zmniejszał wysiłek. Nie narzucono sztywnego limitu czasu. Średnio uczestnicy wypróbowali około trzydziestu różnych ustawień i potrzebowali w przybliżeniu jedenaście minut, by zdecydować, że znaleźli preferowane wsparcie. Co ciekawe, prawie zawsze zmieniali tylko jedno ustawienie czasowe na raz, co sugeruje ostrożne, stopniowe poszukiwanie zamiast losowych prób i błędów.

Oszczędność energii bez skomplikowanej matematyki

Mimo że uczestnicy polegali wyłącznie na własnych odczuciach, ich wybory przyniosły mierzalne oszczędności energetyczne. Gdy egzoszkielet pracował według preferowanego przez osobę wzoru czasowego, koszt energetyczny chodzenia spadł o około 17 procent w porównaniu z noszeniem tego samego urządzenia, które nie dostarczało pomocnego momentu obrotowego. Po uwzględnieniu dodatkowej masy samego urządzenia oznaczało to wciąż zauważalne zmniejszenie w porównaniu z chodzeniem bez niego. Naukowcy następnie przesunęli każde z czterech momentów wcześniej lub później w cyklu kroku. Te zmiany, nawet dość duże, niemal nie wpłynęły na oszczędności energii, co sugeruje, że wzory wybrane przez użytkowników były nie tylko skuteczne, lecz także odporne na drobne błędy czasowe.

Jak sterowanie nadal jest odczuwane przez użytkownika

Ponad samym użyciem energii, zespół chciał poznać, jak korzystanie z egzoszkieletu wpływa na poczucie sprawstwa własnych ruchów. Po chodzeniu albo z wyłączoną pomocą urządzenia, albo z ich dostrojonym wzorem wspomagania, uczestnicy oceniali oświadczenia dotyczące tego, na ile mieli poczucie, że to oni wywołują ruch. Jak można było przewidzieć, ludzie czuli się bardziej sprawczy, gdy urządzenie nie pomagało aktywnie. Jednak nawet przy częściowym wsparciu wyniki znacząco spadły, pokazując, że pchnięcia i pociągnięcia urządzenia zmieniały doświadczenie przynależności do własnych ruchów. To sugeruje, że przyszłe projekty powinny równoważyć korzyści fizyczne z naturalnością odczucia ruchu.

Dlaczego to podejście ma znaczenie

Badanie pokazuje, że pozwolenie użytkownikom na dostrajanie egzoszkieletu biodrowego „na czuja” może szybko wygenerować spersonalizowane wsparcie podczas chodzenia, które obniża koszt energetyczny do poziomów porównywalnych z bardziej czasochłonnymi metodami laboratoryjnymi. Preferowane ustawienia bardzo różniły się między osobami, podkreślając potrzebę indywidualnej regulacji zamiast uniwersalnego programu. Ponieważ metoda jest szybka i nie wymaga dużego sprzętu pomiarowego, może uczynić egzoskielety bardziej praktycznymi dla osób starszych, pacjentów w rehabilitacji oraz ludzi używających takich urządzeń w codziennym życiu. Wyniki wskazują również drogę ku przyszłym systemom łączącym informacje zwrotne od użytkownika ze sprytnymi algorytmami, tworzącymi pomocniki do chodzenia, które dostosowują się nie tylko do ciała, lecz także do preferowanego sposobu poruszania się każdej osoby.

Cytowanie: Schäfer, N., Zhao, G., Li, B. et al. User preference-based human-in-the-loop tuning of exoskeleton assistance during walking. npj Biomed. Innov. 3, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s44385-026-00085-7

Słowa kluczowe: egzoszkielet biodrowy, wspomaganie chodzenia, dostosowanie przez użytkownika, człowiek w pętli, koszt metaboliczny