BỘ KHUNG XƯƠNG NGOÀI CHO HÔNG ĐÃ HỌC TRÊN MỘT CƠ THỂ ẢO

Các bộ khung xương ngoài có động cơ cho chân đang được phát triển cả cho phục hồi chức năng lẫn để giúp người khỏe mạnh đi bộ. Các thiết bị cho hông đặc biệt hấp dẫn: các cơ hông đảm nhận một phần lớn công dương khi đi bộ trên mặt phẳng, nên hỗ trợ chúng có thể giảm tải cho những cơ gánh phần lớn công việc.

Khó khăn nằm ở người đeo. Ngay khi một động cơ đẩy lên một khớp, dáng đi thay đổi và các cơ tự tổ chức lại. Cách khắc phục thông thường, tối ưu hóa “có con người trong vòng lặp” (human-in-the-loop), tinh chỉnh thiết bị trực tiếp trên từng người — những thí nghiệm dài phải lặp lại cho mỗi người dùng mới và mỗi điều kiện.

Một người đi bộ ảo làm bạn tập

Yifei Yuan, Xianlian Zhou và các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ New Jersey, cùng Quỹ Kessler, đã chuyển việc huấn luyện vào máy tính. Con người ảo của họ có toàn bộ cơ thể được điều khiển bởi 304 bộ truyền động cơ bắp. Chiều cao, cân nặng, sức mạnh cơ bắp, sải chân và tốc độ đi bộ của nó được rút ngẫu nhiên, từ khoảng 1,55 m và 54 kg đến 1,94 m và 97 kg, để bộ điều khiển học cho cả một quần thể thay vì cho một người.

Hai tác tử học cùng chia sẻ một thế giới mô phỏng: một tác tử điều khiển cơ thể, tác tử kia điều khiển khung xương ngoài. Trước hết, cơ thể học đi một mình; sau đó thiết bị được gắn vào và cả hai thích nghi với nhau. Khung xương ngoài chỉ nhìn thấy góc và tốc độ của hông, với độ trễ 40 mili giây — đủ khiêm tốn để một máy tính nhỏ Raspberry Pi 5 và các cảm biến chuyển động giá rẻ có thể vận hành nó.

Thưởng cho đúng loại gắng sức

Thiết bị nên nhắm tới điều gì? Các bộ điều khiển trước đây được thưởng khi giảm mức kích hoạt cơ hoặc công cơ học, những đại lượng thay thế cho mức gắng sức. Ở đây, phần thưởng của khung xương ngoài bao gồm công suất chuyển hóa của các cơ hông, được tính bằng một mô hình sinh lý về sự sử dụng năng lượng của cơ.

Nhóm đã huấn luyện hai phiên bản. Một phiên bản còn thưởng cho động cơ khi cung cấp công suất cơ học dương. Phiên bản kia, không có số hạng bổ sung đó, cho kết quả tốt hơn trong mô phỏng: năng lượng mà các cơ chân được phân tích sử dụng giảm 13,8% so với đi bộ không có thiết bị, so với 8,8% của phiên bản có số hạng công suất. Mức giảm lớn nhất là ở các cơ hông: gần 30%.

Tám người đi bộ, không tinh chỉnh

Phiên bản tốt hơn được nạp, không thay đổi gì, vào một bộ khung xương ngoài cho hông thật nặng 5,94 kg. Tám người trưởng thành khỏe mạnh, từ 18 đến 44 tuổi, đi bộ trên máy chạy bộ ở tốc độ 1,25 mét mỗi giây trong khoảng sáu phút cho mỗi điều kiện, trong khi một máy phân tích di động lấy mẫu hơi thở của họ để đo lượng oxy họ sử dụng và lượng carbon dioxide họ thở ra.

• Chỉ riêng việc đeo thiết bị ở trạng thái tắt đã làm chi phí năng lượng của việc đi bộ tăng 13,1%.
• Khi bộ điều khiển hoạt động, chi phí giảm 18,3% so với thiết bị ở trạng thái tắt — ở mọi người trong số tám người tham gia, từ 7,2% đến 27,7%.
• So với đi bộ không có bất kỳ thiết bị nào, mức tiết kiệm trung bình là 7,4%, quá biến động giữa tám người để rõ ràng về mặt thống kê. Sáu trong số tám người đi bộ tốn ít năng lượng hơn so với khi không có thiết bị, ít hơn tới 24,2%; hai người vẫn tiêu hao nhiều hơn một chút.

Nói cách khác, sự trợ lực đã lấy đi khoảng 0,63 watt trên mỗi kilôgam khối lượng cơ thể, gần gấp rưỡi mức 0,41 mà việc mang thiết bị cộng thêm.

Biên độ vung rộng hơn ở hông

Tầm vận động của hông người đeo tăng từ 44 lên 60 độ, gần như hoàn toàn ở động tác gập, trong khi nhịp bước của họ hầu như không thay đổi. Sự hỗ trợ được căn thời điểm tốt: 98,5% công suất mà động cơ cung cấp đẩy cùng chiều với chuyển động của hông, dù phiên bản được triển khai chưa bao giờ được thưởng trực tiếp cho điều đó. Mức tiết kiệm của nó tương đương với bộ điều khiển trước đây của nhóm, được thử trong cùng buổi với cùng mô-men xoắn.

Tiếp theo là phần cứng nhẹ hơn

Các tác giả chỉ ra phần cứng. Thiết bị của họ nặng khoảng gấp đôi hai thiết bị khác cũng được huấn luyện trong mô phỏng (3,2 và 2,9 kg), và nó được vận hành ở 12 newton-mét, thấp hơn mức 18 dùng khi huấn luyện, để giữ sự thoải mái. Một bộ khung nhẹ hơn và vừa vặn hơn, các nhóm người đi bộ đông hơn, các tốc độ và độ dốc khác, và những người bị suy giảm khả năng đi lại là các thử nghiệm tiếp theo.