SANAL BİR BEDEN ÜZERİNDE ÖĞRENEN BİR KALÇA DIŞ İSKELETİ

Bacaklar için motorlu dış iskeletler (exoskeleton), hem rehabilitasyon hem de sağlıklı insanların yürümesine yardım etmek için geliştiriliyor. Kalça cihazları özellikle cazip: düz zeminde yürümenin pozitif işinin büyük bir bölümünü kalça kasları yapar, bu yüzden onlara yardım etmek işin çoğunu üstlenen kasları rahatlatabilir.

Zorluk, cihazı takan kişide. Bir motor bir eklemi ittiği anda yürüyüş değişir ve kaslar yeniden örgütlenir. Olağan çözüm olan “döngüdeki insan” (human-in-the-loop) optimizasyonu, cihazı doğrudan her kişi üzerinde ayarlar — her yeni kullanıcı ve her koşul için tekrarlanması gereken uzun deneyler.

Eğitim partneri olarak sanal bir yürüyüşçü

New Jersey Teknoloji Enstitüsü’nden Yifei Yuan, Xianlian Zhou ve meslektaşları, Kessler Vakfı ile birlikte, eğitimi bir bilgisayara taşıdı. Sanal insanlarının 304 kas aktüatörüyle hareket ettirilen tam bir bedeni var. Boyu, kilosu, kas gücü, adım uzunluğu ve yürüme hızı rastgele seçiliyor — yaklaşık 1,55 m ve 54 kg’dan 1,94 m ve 97 kg’a kadar — böylece denetleyici tek bir kişi için değil, bütün bir popülasyon için öğreniyor.

İki öğrenen ajan aynı simüle dünyayı paylaşıyor: biri bedeni, öteki dış iskeleti denetliyor. Önce beden tek başına yürümeyi öğreniyor; ardından cihaz takılıyor ve ikisi birbirine uyum sağlıyor. Dış iskelet yalnızca kalçaların açılarını ve hızlarını, 40 milisaniye gecikmeyle görüyor — küçük bir Raspberry Pi 5 bilgisayarının ve ucuz hareket sensörlerinin onu çalıştırabileceği kadar mütevazı bir girdi.

Doğru eforu ödüllendirmek

Cihaz neyi hedeflemeli? Önceki denetleyiciler, eforun yerine geçen ölçütler olan kas aktivasyonunu ya da mekanik işi azalttıkları için ödüllendiriliyordu. Burada dış iskeletin ödülü, kas enerji kullanımının fizyolojik bir modeliyle hesaplanan, kalça kaslarının metabolik gücünü içeriyor.

Ekip iki sürüm eğitti. Biri motorları pozitif mekanik güç sağladıkları için de ödüllendiriyordu. Öteki, bu ek terim olmadan, simülasyonda daha iyi sonuç verdi: analiz edilen bacak kaslarının kullandığı enerji, cihazsız yürümeye kıyasla %13,8 düştü; güç terimli sürümde düşüş %8,8 idi. En büyük düşüş kalça kaslarındaydı: neredeyse %30.

Sekiz yürüyüşçü, hiç ayar yok

Daha iyi sürüm, değiştirilmeden, 5,94 kg ağırlığındaki gerçek bir kalça dış iskeletine yüklendi. Yaşları 18 ile 44 arasında değişen sekiz sağlıklı yetişkin, koşul başına yaklaşık altı dakika boyunca saniyede 1,25 metre hızla bir koşu bandında yürüdü; bu sırada taşınabilir bir analizör, kullandıkları oksijeni ve verdikleri karbondioksiti ölçmek için nefeslerinden örnek aldı.

• Cihazı yalnızca kapalıyken takmak bile yürümenin enerji maliyetini %13,1 artırdı.
• Denetleyici çalışırken maliyet, kapalı cihaza kıyasla %18,3 düştü — sekiz katılımcının her birinde, %7,2 ile %27,7 arasında.
• Hiç cihaz olmadan yürümeye kıyasla ortalama tasarruf %7,4’tü; bu, sekiz kişi arasında istatistiksel olarak net olamayacak kadar değişken. Sekiz kişiden altısı cihazsız hâllerinden daha az enerjiyle, %24,2’ye varan bir tasarrufla yürüdü; ikisi hâlâ biraz daha fazla harcadı.

Başka bir deyişle yardım, vücut kütlesinin kilogramı başına yaklaşık 0,63 vat azalttı; bu, cihazı taşımanın eklediği 0,41’in kabaca bir buçuk katı.

Kalçada daha geniş bir salınım

Cihazı takanların kalça hareket açıklığı 44’ten 60 dereceye çıktı, neredeyse tamamen fleksiyonda (bükülmede); adım sıklıkları ise neredeyse hiç değişmedi. Yardım iyi zamanlanmıştı: motorların sağladığı gücün %98,5’i kalçanın hareket ettiği yönde itti; oysa sahada kullanılan sürüm bunun için hiçbir zaman doğrudan ödüllendirilmemişti. Sağladığı tasarruf, ekibin aynı oturumda aynı torkla test edilen önceki denetleyicisininkiyle eşleşti.

Sırada daha hafif donanım var

Yazarlar donanımı işaret ediyor. Cihazları, simülasyonda eğitilmiş diğer iki cihazın (3,2 ve 2,9 kg) yaklaşık iki katı ağırlığında ve rahat kalması için eğitimde kullanılan 18 newton-metrenin altında, 12 newton-metrede çalıştırıldı. Daha iyi oturan daha hafif bir çerçeve, daha büyük yürüyüşçü grupları, başka hızlar ve eğimler ve yürüme bozukluğu olan kişiler sıradaki testler.