密西根大學用商用護膝和無人機引擎製造的一套膝蓋外骨骼已被證明有助於抵消舉重和搬運任務時的疲勞。一篇新論文的研究人員表示，它們幫助使用者即使在疲勞時也能保持更好的舉重姿勢，這是預防工作傷害的關鍵因素發表在日記中科學機器人。

「我們不是直接支撐背部並放棄適當的舉升形式，而是加強腿部來維持它，」密西根大學機器人學教授、該研究的通訊作者羅伯特·格雷格說。“這與工業界更常見的做法不同。”

經常舉重的工人（例如建築和製造業的工人）已經可以使用背部支架。背部外骨骼使用彈簧或馬達來幫助舉重，是一項新興技術。但支撐背部的設備假設不安全的舉起或彎腰，並且背部外骨骼往往是笨重的設備，必須停用這些設備才能允許不屬於舉重任務的運動，格雷格說。

密西根團隊表示，他們的膝蓋外骨骼是第一個支撐股四頭肌的外骨骼，股四頭肌為安全的深蹲舉重提供了大部分力量，作為一種侵入性較小的方式來幫助保護工人免受背部傷害。研究參與者使用 20 磅重的壺鈴對他們進行舉重和搬運任務的測試。

任務包括將重物從地面提起並再次放下，以及在平坦的地面上舉起和搬運重物、上下斜坡以及上下樓梯。研究發現，在疲勞後，參與者在外骨骼，而且他們的舉升速度也更快，僅比疲勞前的速度慢了 1%，而沒有外骨骼幫助時則慢了 44%。

「當工人必須跟上傳送帶時，這一點尤其重要。通常，當工人疲勞時，他們會跟上傳送帶的速度，但姿勢會有所妥協。他們會更多地彎曲背部，這就是密西根大學機器人學博士後研究員、研究的第一作者Nikhil Divekar 說。

參與者也感受到了好處——他們主要表示相當或非常滿意，除了在平地上行走，他們或多或少感到滿意。在這個相對簡單的任務中，股四頭肌需要少量的幫助來進行追蹤；格雷格將其描述為足以抵消外骨骼重量的支撐。

使外骨骼如此耐磨的關鍵之一是馬達及其傳動方式，這使得使用者能夠自由擺動膝蓋以實現自然的步態。另一個是軟體，它透過測量膝關節的角度、大腿和小腿的方向以及使用者鞋子中的感測器接收到的力來預測使用者需要什麼樣的幫助。

透過雙腿的這三個測量值，可以計算出使用者試圖做出什麼動作，以及提供多少幫助。這些測量每秒進行 150 次，使外骨骼能夠在活動之間無縫移動。

這種方法與許多外骨骼控制器形成鮮明對比，後者遵循預先定義的模式來完成一組有限的任務。格雷格說，切換任務對於這些控制器來說可能是一個問題，他們可能需要整整一秒鐘才能弄清楚用戶想要做什麼。

“如果你的 exo 試圖走上樓，而你試圖走下樓，那可能是個問題，對吧？”他說。

新控制器也將實體模型與機器學習，如果使用者的行為開始與控制器訓練資料中包含的任何活動不同，這可以防止外骨骼做出意外的移動。

實驗室原型的成本約為每對 4,000 美元，因此 Gregg 預計，如果大規模生產外骨骼，每對的成本可能約為 2,000 美元。

10 名研究參與者，五名女性和五名男性，在不同的兩天完成了所有任務，一天精力充沛，另一天疲憊不堪。為了引起疲勞，每個參與者都用壺鈴進行一系列的深蹲舉舉，直到重複之間沒有長時間的休息才能繼續。所有參與者都有正確的深蹲舉重技巧的經驗。

該團隊已申請專利保護在密西根大學創新合作關係的協助下，正在尋找合作夥伴將該技術推向市場。