SuperLimbs是由麻省理工學院的工程師制造的一種可穿戴機械肢體系統

需要放松一下嗎?試試看宇航員落在月球上的視頻。美國國家航空航天局(NASA)拍攝的阿波羅號(Apollo)宇航員在慢動作中跳躍時絆倒的片段令人愉快地産生共鳴。

對于麻省理工學院的工程師來說，月球探測器也凸顯了一個創新的機會。

“宇航員的身體能力很強，但他們在月球上可能會遇到困難，那裏的重力是地球的六分之一，但他們的慣性仍然是一樣的。此外，穿著宇航服是一個很大的負擔，會限制他們的活動，”麻省理工學院機械工程教授哈裏·淺田說。“我們希望爲宇航員提供一種安全的方式，讓他們在跌倒時重新站起來。”

淺田和他的同事們正在設計一對可穿戴的機械肢體，它可以在宇航員跌倒後支撐他們，並使他們重新站起來。研究人員將該系統命名爲“超級機械四肢”(SuperLimbs)，它可以從背包中延伸出來，背包還可以攜帶宇航員的生命維持系統，以及爲四肢提供動力的控制器和馬達。

研究人員已經建立了一個物理原型，以及一個控制系統來指導肢體，根據宇航員使用它的反饋。該團隊在健康受試者身上測試了一個初步版本，這些受試者也自願穿上類似宇航員太空服的緊身服裝。當志願者試圖從坐著或躺著的位置站起來時，與他們必須自己恢複時相比，在超級四肢的幫助下，他們做得更少。

麻省理工學院的研究小組設想，超級四肢可以在宇航員摔倒後給予身體幫助，並在此過程中幫助他們保存能量，以完成其他重要任務。這種設計在未來幾年可能會被證明特別有用，因爲美國宇航局(NASA)將發射“阿爾忒彌斯”(Artemis)任務，該任務計劃在50多年來首次將宇航員送回月球。

與阿波羅的主要探索任務不同，阿爾忒彌斯的宇航員將努力建立第一個永久性月球基地——這是一項對體力要求很高的任務，需要多次擴展的艙外活動(eva)。

團隊成員、麻省理工學院博士生埃裏克·巴勒斯特羅斯說:“在阿波羅時代，宇航員會摔倒，80%的情況是他們在做挖掘或使用工具的工作時摔倒的。”“阿爾忒彌斯的任務將真正專注于建築和挖掘，因此墜落的風險要高得多。我們認爲SuperLimbs可以幫助他們恢複，從而提高他們的生産力，並延長他們的eva。”

Asada、Ballesteros和他們的同事將在本周的IEEE機器人與自動化國際會議(ICRA)上展示他們的設計和研究。他們的合著者包括麻省理工學院博士後Sang-Yoep Lee和噴氣推進實驗室的卡林德·卡彭特。

表明立場

該團隊的設計是SuperLimbs的最新應用，早在十年前，淺田就首次開發了SuperLimbs，並適應了一系列應用，包括協助飛機制造、建築和造船工人。

最近，淺田和巴列斯特羅斯想知道超級四肢是否可以幫助宇航員，特別是在美國宇航局計劃將宇航員送回月球表面的情況下。

淺田說:“在與美國宇航局的溝通中，我們了解到落在月球上的問題是一個嚴重的風險。”“我們意識到我們可以對我們的設計進行一些修改，以幫助宇航員從跌倒中恢複並繼續他們的工作。”

該團隊首先退後一步，研究人類從跌倒中自然恢複的方式。在他們的新研究中，他們要求幾名健康的志願者在側臥、俯臥和仰臥後嘗試站立。

然後，研究人員觀察了志願者在活動受限時的站立嘗試變化，類似于宇航員的活動受到航天服體積限制的方式。該團隊制作了一套模擬傳統太空服硬度的宇航服，並讓志願者穿上這套宇航服，然後再次嘗試從各種摔倒的位置站起來。志願者們的動作順序是相似的，盡管與不受阻礙的嘗試相比，他們需要付出更多的努力。

研究小組繪制了每個志願者站起來時的動作圖，發現他們每個人都有一個共同的動作序列，從一個姿勢或“路徑點”移動到下一個姿勢，以一種可預測的順序。

Ballesteros說:“這些人體工程學實驗幫助我們以一種直接的方式模擬了人類是如何站立的。”“我們可以假設，大約80%的人類都以類似的方式站立。然後我們圍繞這個軌迹設計了一個控制器。”

圖片來源:麻省理工學院

援助之手

該團隊開發了一種軟件，可以爲機器人生成一個軌迹，按照一個序列來幫助支撐人類，並讓他們重新站起來。他們將控制器安裝在一個沉重的固定機械臂上，並將其連接到一個大背包上。然後，研究人員將背包綁在笨重的衣服上，幫助志願者穿上衣服。他們要求志願者再次仰臥、俯臥或側臥，然後讓他們試著站起來，機器人會感應到志願者的動作，並幫助他們站起來。

總的來說，與穿著笨重的宇航服獨自站立相比，志願者在機器人的幫助下能夠穩定地站立，付出的努力要少得多。

Ballesteros說:“感覺就像有一股額外的力量和你一起移動。”Ballesteros也試用了這套衣服和手臂輔助裝置。“想象一下，你背著一個背包，有人抓住背包的頂部，把你拉起來。久而久之，這就變得很自然了。”

實驗證實，該控制系統可以成功地引導機器人幫助跌倒的人站起來。研究人員計劃將控制系統與他們最新版本的SuperLimbs配對，SuperLimbs由兩個多關節機械臂組成，可以從背包中伸出。背包中還將包含機器人的電池和馬達，以及宇航員的通風系統。

Ballesteros說:“我們基于人工智能搜索和設計優化設計了這些機械臂，以尋找具有某些工程限制的經典機器人操縱器的設計。”“我們篩選了許多設計，尋找消耗最少能量的設計來提升人。這個版本的SuperLimbs就是這個過程的産物。”

今年夏天，Ballesteros將在NASA的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)建造完整的SuperLimbs系統，他計劃在那裏簡化設計，並使用先進的輕質材料將部件和發動機的重量降到最低。然後，他希望將假肢與宇航員服配對，並在低重力模擬器中進行測試，目標是有一天在未來的月球和火星任務中幫助宇航員。

淺田指出:“穿著宇航服可能是一種身體負擔。“機器人系統可以幫助減輕這種負擔，並幫助宇航員在執行任務期間提高工作效率。”