在菲茨帕特里克工程大厅的地下室里,他抓住了一台停着的跑步机的栏杆, 劳拉·莱特(Laura Light)在使用实验性的脚部和脚踝假肢踮起脚尖时,突然露出了灿烂的笑容.

帕特里克·文斯, 他是航空航天和机械工程的助理教授,专门研究机器人和机动假肢, 给他的两个博士生点赞. David Kelly专注于Light的平衡性和安全性, 而瑞安·Posh则观察着他的电脑接收到的数据,这些数据来自莱特左小腿肌肉上的几个电子传感器.

“太神奇了, 因为自从我的脚在小时候被截肢后,我就不能那样做了. 那真是一次很酷的经历,是我小时候一直想做的事情.”劳拉光

传感器从莱特的肌肉中读取电信号, 这让她第一次完全控制电动踝部设备的前倾,并最终能够踮起脚尖站立.

“我觉得自己像个小孩子,”28岁的莱特说. “太神奇了, 因为自从我的脚在小时候被截肢后,我就不能那样做了. 那真是一次很酷的经历,是我小时候一直想做的事情.”

一个金发的女人坐在一个滚动的办公椅上,测试一个动力假肢.
劳拉·莱特帮助测试由圣母工程学院机器人优化和辅助移动实验室(漫游)开发的动力假肢,并提供反馈.

文辛对机器人进行研究, 外骨骼和动力小腿假肢的机器人主任, 优化及辅助移动(漫游)的实验室 工程学院. 目前,成千上万的下肢截肢患者可以使用假肢来辅助运动, 文辛的团队正在改进人机界面,这样用户就可以控制脚踝的运动,在提高舒适度和安全性的同时,给他们一种至关重要的“意志感”.

在实验室里,一名男子帮助一名戴着动力假肢的女子走上跑步机.
帕特里克·文斯, 机器人技术总监, 优化, 辅助移动(漫游)实验室, 在菲茨帕特里克大厅,她帮助劳拉·莱特走上跑步机测试动力假肢.

漫游团队用Light测试了三种不同的控制机制. 第一个是“意志”,它基于肌电传感器,使莱特能够控制脚踝的翻转运动. 第二种是自动的,它根据预先设定的角度自动提高脚踝的滚动,这种方式与一些现有的电动假肢的工作方式相同. 第三种控制器是该团队的最新实验,它结合了前两种控制器的优点.

莱特在跑步机上用每个系统行走两分钟, 而凯利则录下了她的步态,以评估它看起来有多自然. Posh收集了肌电传感器对Light肌肉信号的接收和响应情况的数据.

“这比我们想象的要好,”文辛在实验结束后说. “有很多针对假手的肌电解决方案. 但腿部的空间较少,因为你必须避免摔倒以确保安全.” 

一名身穿亮黄色背带的女子踮着脚尖在测试动力假肢.

痛苦的抉择

光诞生于孟菲斯, 田纳西州, 有一种叫腓骨半残的病, 小腿哪里的小骨头太短或缺失. 她的父母面临着一个艰难的选择,要么截肢,要么试图通过一系列痛苦而不确定的手术来挽救它. 在与做出这两种选择的医生和家属交谈后, 他们选择在14个月时截肢.

莱特说:“18个月大的时候,我就装上了义肢. “我不知道有什么不同.”

她的家人搬到了歌珊地附近, 印第安纳州, 当她年轻的时候, 她的父母鼓励她去尝试任何她想做的事情. 她做好几项运动,最喜欢排球. 在实验室里, 她说她晒伤是因为最近参加了沙滩排球比赛, 她希望在2028年残奥会期间参加这项运动.

一名女子戴着假肢打排球.
劳拉·莱特出生时就患有腓骨半瘫, 小腿哪里的小骨头太短或缺失, 但这并不妨碍她从事她最喜欢的运动, 排球.
一个花卉和彩色假肢的细节镜头.
莱特和家人在印第安纳州戈申市附近的牛弓公园玩沙滩排球.

莱特是埃尔克哈特县的调度员. 她从一篇新闻报道中得知了文辛的研究,并通过电子邮件联系了她. 她说,她很高兴自愿参加测试,尽管这项目前体积庞大的技术可能需要数年时间才能缩小并进入商业市场.

“我现在穿的这只脚是一只好脚, 但就自然翻转而言,它确实有一些局限性, 因为脚踝已经基本固定了,莱特说. “这只脚,我认为,将是巨大的,因为它将适应我所处的地形. 我可以做像徒步旅行这样的事情,而且做得更自然, 做的时候不要那么紧张.”

莱特在测试中发现的其他优点包括踮脚站, 倒着走,坐着的时候能够把脚一直旋转到地板上.

她说:“对我来说,这很重要,因为我从来都不能把脚坐下来。. “它总是占据这么大的空间,当你在一个狭小的空间里时,这很令人沮丧. 而且,只要有一个自然的步态就能拯救我的臀部,最终拯救我的下背部.”

装在动力假脚踝上的假脚, 还有亚虎体育字母组合的贴纸, 周围都是电线.

机器人的粉丝

文辛在克利夫兰东部长大,高中时就开始接触机器人. 他说:“我九年级的时候第一次参加了机器人比赛,那真是太棒了。. “这就是激发兴趣并真正发展起来的地方.”

帕特里克·文辛(帕特里克·文斯)的大头照,他戴着眼镜,身穿浅灰色西装,戴着石灰绿色领带.

“我们希望随着时间的推移,人们佩戴的这些设备会变得更好, 让人们更好地使用它们, 我们正试图找出加速这一过程的方法.” 帕特里克·文斯

他在俄亥俄州立大学学习电气和计算机工程,并在那里继续攻读博士学位. 他曾在法国短暂研究人形机器人, 检验他的论文理论, 并在麻省理工学院获得博士后职位,研究机器人的自主性和可操作性.

文辛于2017年来到亚虎体育,因为他说大学和其他教员支持他的研究愿景. 他过去也曾与 吉姆Schmiedeler他是人类方面的专家 生物力学 他也是从俄勒冈州立大学来到南本德的,也是这项研究的合作者.

“他的工作非常适合我的核心机器人工作背景, 所以我们有很大的协同作用,文星说. “我看到了与心理学或计算神经科学领域的人合作的其他机会. 我们希望人们佩戴的这些设备能随着时间的推移变得更好, 让人们更好地使用它们, 我们正试图找出加速这一过程的方法.”

一个穿着漫游 t恤的男人背部的细节. 在这名男子身后的背景中,有两个人坐在实验室里.
美国亚虎体育工程学院博士.D. 学生大卫·凯利帮助劳拉·莱特安装动力假肢小腿和脚.
两名在笔记本电脑上工作的男子看着左边的显示器,评估数据.
漫游实验室主任帕特里克·文斯(左)和博士.D. 学生Ryan Posh在试装期间检查数据.

除了下肢假肢设备,文星的漫游实验室也在研究四足假肢 机器人 以及下半身外骨骼系统. 他的外骨骼研究旨在使用更传统的传感器,让脊髓或中风损伤的人改善对行走步态的控制.

Dr. 的孩子叫森, 印第安纳大学医学院的伤口愈合专家, 他曾与施米德勒和文辛在国防部的项目上合作.

“我对其潜力感到非常兴奋,”奥巴马说. “在确保被截肢者残肢的长期健康方面,这可能是革命性的. 这对此类患者的整体健康至关重要.”

一名男子用一个小螺丝刀在一个有动力的假腿上工作,另一名男子则抓住假腿的顶部.

实验室测试

漫游团队在2021年与Light会面,但必须获得人体测试对象的安全许可. 5月, 莱特作为第一个测试机动假肢的截肢者参观了地下实验室,文辛和Posh之前曾在自己身上试用过这种假肢.

亚当·沃, 一个经过认证的假肢师超越矫形和假肢, 与亚虎体育的研究人员一起提供建议和帮助. 他最重要的职责是拆卸并重建莱特目前的假肢,这样她就可以在不影响她安全的情况下尝试实验性的假肢.

沃说:“我们很高兴有机会为这项研究提供支持和协助。. “每一位受益于任何数量的复杂设备的患者都要感谢像瑞安(Posh)这样的人,他们致力于推动假肢行业的技术进步.”

“虽然这项研究仍处于早期阶段, 我相信它将在未来改善许多人的生活.”亚当沃

沃经常与截肢者一起工作,观察新的和改进的设备如何丰富他们的生活. 他说,允许患者更积极地活动自己的脚将为新的活动打开大门,并有助于缓解疲劳. 光同意, 她注意到,多年来由于过度补偿,她的另一条腿的膝盖撕裂了.

“这可能会增加腿部的血液流动, 减少使用时的音量波动, 并全面改善健全侧肢体健康,沃说. “虽然这项研究仍处于早期阶段, 我相信它将在未来改善许多人的生活.”

Posh首先将Light的鞋子放在实验假体上,并将一个微控制器粘在假体的插座上. 他安装了电极传感器,可以记录她小腿上不同部位的肌肉收缩.

第一步是校准, 测试计算机是否能捕捉到她肌肉的伸展和弯曲信号. 这些信号并没有像预期的那样显示在视频屏幕上, 但计算机确实以每秒250次的速度记录了它们.

一名男子将传感器安装在一名女子的腿上,女子坐在椅子上与镜头外的人交谈.
Ryan Posh博士.D. 他是亚虎体育工程学院漫游实验室的学生, 将传感器安装在劳拉·莱特的左腿上.
截肢腿上传感器的细节与动力假肢连接.
安装在莱特残肢上的传感器与动力假肢小腿和脚相连.

当设备根据她的肌肉控制时,它迅速弹出到位. 莱特喘着气说,感觉“就像脚上有只青蛙”.她很快就想出了如何调整腿的位置,以尽量减少脚跳.

“太奇怪了,”她惊叫道. “我不知道如何让它(脚)去我想去的地方.”

Posh和Wensing向Light保证,学习如何发送肌肉信号来控制运动需要时间, 莱特从来没有理由去尝试.

“I’m not used to firing that muscle; I’ll have to build it up,” she said. “我敢打赌,最近截肢的人都知道怎么做更容易.”

在站立并进行三次行走测试之前,Light被钩上安全背带. 进行了调整,使脚后跟的机动推动在她走路的步态中发生在正确的时刻. 马达发出嗡嗡的声音,几乎像花栗鼠的吱吱声.

莱特练习着前后滚动脚, 踮起脚尖,把它平放在地板上坐着. 她说:“我喜欢这个脚踝可以滚动。. “我不想回到我原来的脚上.”

一名身穿亮黄色背带的女子戴着动力假肢在跑步机上行走,她抱着旁边的扶手微笑.

推进市场

莱特知道暴露在外的电线和实验脚的体积使它不适合全职使用. 这种配置使研究人员可以轻松地对其进行定制. 文兴说,他预计随着电池和计算机小型化技术的发展,电池的尺寸将会减小, 同样的道理,智能手机现在的计算能力比原来房间大小的大型机更强.

一项潜在的合作已经与一位校友进行了讨论,他可以加速将这项技术推向市场. 吉姆•科尔文, 1983年毕业,是俄亥俄州义肢制造商WillowWood的研究和技术总监, 在这个行业工作了三十年.

科尔文说,该公司成立于1907年,创始人是一名在火车事故中失去双腿的制车工,他开始用柳木雕刻假肢. “自从我开始工作以来,我看到了很大的进步, 那时我们做的腿还是木制的,科尔文说. “但它仍然没有达到天然肢体的功能,所以我们还有很多工作要做.”

“作为一名工程师,应用技术来帮助人们过上更好的生活是非常值得的.” 吉姆•科尔文

科尔文说,WillowWood公司还生产衬垫产品,以保护与假肢连接的截肢肢体. “这个界面可能会对肢体组织造成损害,因为它不是为极端负荷而设计的,他说.

该公司开发的一种新产品将肌电传感器嵌入到衬垫中,就像文星所使用的那样. 科尔文说,他已经与文星讨论了将这项技术与漫游研究结合起来以改进即将上市的产品的建议.

“先进的设备更直观, 这样用户就会觉得它是他们的一部分,并且无缝地工作,科尔文说. “作为一名工程师,应用技术来帮助人们过上更好的生活是非常值得的. 结果是有形的.”