在菲茨帕特里克工程学院的地下室里,他抓住了一台停了的跑步机的栏杆, 劳拉·莱特(Laura Light)用实验性的脚和脚踝假肢站在脚尖上,脸上露出了令人兴奋的微笑.

帕特里克·文斯, 航空航天和机械工程助理教授,专门研究机器人和机动义肢, 给他的两个博士生点赞. 大卫·凯利专注于光的平衡和安全, 与此同时,瑞安·波士(Ryan Posh)看着他的电脑接收到的数据,这些数据来自连接在光的残余左小腿肌肉上的几个电子传感器.

“太神奇了。, 因为自从我的脚在很小的时候被截肢后,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

传感器从光的肌肉中读取电子抽搐信号, 这让她第一次可以完全控制电动脚踝装置的向前滚动,并最终用脚趾站立.

“我觉得自己像个小孩,”28岁的莱特说. “太神奇了。, 因为自从我的脚在很小的时候被截肢后,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.”

一个金发女人坐在一张旋转办公椅上,正在测试一个动力假肢小腿.
劳拉·莱特帮助测试和反馈由澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司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。.

温辛对机器人进行研究, 外骨骼和动力小腿假体作为机器人的主管, 优化及辅助行动(漫游巴黎澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司的实验室 工程学院. 而目前为成千上万的下肢截肢者提供的假肢可以提供运动辅助, 温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小腿的女子登上跑步机.
帕特里克·文斯, 机器人主任, 优化, 辅助移动(漫游)实验室, 帮助劳拉·莱特登上跑步机,在菲茨帕特里克大厅测试一个动力假肢.

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,允许Light控制脚踝的翻转运动. 第二种是自主的,基于预先设定的角度自动增加脚踝的旋转,就像一些已经可用的电动假肢一样. 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.

Light用每个系统在跑步机上走两分钟, 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.

“这比澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司想象的要好,”温辛在实验结束后说. “市面上有很多假肢的肌电解决方案. 但是对于腿来说就少了,因为你必须避免摔倒以确保安全.” 

一名穿着亮黄色背带的妇女在测试动力假肢小腿时踮着脚尖站立.

痛苦的抉择

光诞生于孟菲斯, 田纳西州, 患有腓骨偏忆症, 哪里小腿的小骨头太短或者少了. 她的父母面临着艰难的选择,要么截肢,要么通过一系列痛苦和不确定的手术来挽救它. 在与做出这两种选择的医生和家庭交谈后, 他们选择在14个月大的时候进行截肢.

“18个月大的时候,我就装上了义肢,”莱特说. “我完全不知道有什么不同.”

她家搬到了歌珊附近, 印第安纳州, 当她年轻的时候, 她的父母鼓励她尝试任何她想做的事情. 她玩了几种运动,最喜欢排球. 在实验室里, 她说她的晒伤是最近一次沙滩排球比赛造成的, 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·莱特出生时患有腓骨偏瘫, 哪里小腿的小骨头太短或者少了, 但这并不能阻止她做她最喜欢的运动, 排球.
花卉和彩色假肢小腿的细节拍摄.
在印第安纳州Goshen附近的牛弓公园,Light和家人一起打沙滩排球.

光是埃尔克哈特县的调度员. 她从新闻报道中得知了温辛的研究,并通过电子邮件联系了她. 她说,她很高兴自愿参加测试,尽管现在庞大的技术缩小并进入商业市场可能需要数年时间.

“我现在穿的这只脚很好, 但就自然翻转而言,它确实有一些局限性, 因为我的脚踝已经基本固定了,光说. “我认为这只脚会很大,因为它会适应我所处的地形. 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.”

Light在测试中发现的其他优点包括踮起脚尖站立, 倒着走路,坐着的时候可以把脚一直旋转到地板上.

她说:“对我来说,这意义重大,因为我从来没有坐下来过。. “它总是占据很大的空间,当你在一个狭小的空间里时,这是令人沮丧的. 而且,拥有自然的步态可以挽救我的臀部,最终挽救我的下背部.”

与动力假肢脚踝相连的假肢脚, 印有巴黎澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司字母组合的贴纸, 被电线包围.

机器人的粉丝

温辛在克利夫兰东部长大,高中时就接触到了机器人技术. “我在九年级的时候参加了我的第一个机器人比赛,这是非凡的,”他说. “正是在那里,人们的兴趣被激发出来,并真正从那里发展起来.”

帕特里克·文辛的大头照,他戴着眼镜,穿着浅灰色西装,打着酸橙绿色领带.

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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过人形机器人, 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.

温辛于2017年来到澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司,因为他说这所大学和同事们支持他的研究愿景. 他过去也曾与 吉姆Schmiedeler他是人类方面的专家 生物力学 他也从俄勒冈州立大学来到南本德,是目前这项研究的合作者.

“他的工作非常符合我的核心机器人工作背景, 所以澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司有很大的协同作用,温辛说. “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. 澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司希望人们佩戴的这些设备随着时间的推移变得更好, 让人们更好地使用它们, 澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司正试图找出加快这一进程的方法.”

身穿漫游 t恤的男子背部细节图. 男人身后的背景是坐在实验室里的两个人.
圣母工程学院博士.D. 学生大卫·凯利帮助劳拉·莱特安装动力假肢小腿和脚.
两个在笔记本电脑上工作的人看着左边的显示器并评估数据.
漫游实验室主任帕特里克·温辛(左)和博士.D. 学生Ryan Posh在试训期间检查数据.

除了下肢假肢装置,温辛的漫游实验室还研究四条腿的假肢 机器人 下半身的外骨骼系统. 他的外骨骼工作旨在使用更传统的传感器,使脊髓或中风受伤的人能够改善对步行步态的控制.

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

他说:“我对这种潜力感到非常兴奋. “在确保截肢者残肢的长期健康方面,这可能是革命性的. 这对这些患者的整体健康至关重要.”

一名男子用一把小螺丝刀在动力假肢小腿上工作,而另一名男子则抓住假肢的顶部.

实验室测试

漫游团队在2021年与Light会面,但他们必须获得人体测试对象的安全许可. 5月, 作为第一个测试电动假肢的截肢者,Light参观了地下室的实验室,之前Wensing和Posh已经在自己身上试过了.

亚当·沃, 他是Transcend Orthotics和Prosthetics的认证义肢专家, 加入了澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司的研究人员,提供建议和帮助. 他最重要的职责是拆开并重建莱特目前的假肢,这样她就可以在不影响安全的情况下尝试实验性的假肢.

澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司很高兴有机会为这项研究提供支持和帮助,”沃说. “每一个从任何数量的复杂设备中受益的病人都有像Ryan [Posh]这样的人,感谢他们在假肢行业中使用的技术进步的奉献.”

“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,看到新的和改进的设备如何丰富他们的生活. 他说,允许患者更积极地移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, 注意到她多年来由于过度补偿而撕裂了另一条腿的膝盖.

“这可能会增加流向腿部的血液, 使用时减少音量波动, 改善四肢健康状况,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的鞋子放在实验假肢上,并将微控制器粘在假肢的插座上. 他在她的残小腿上安装了电极传感器,以记录她不同部位的肌肉收缩情况.

第一步是校准, 测试电脑能否捕捉到她肌肉伸展和弯曲的信号. 信号并没有像希望的那样显示在视频屏幕上, 但计算机记录的读数是每秒250个.

一名男子将传感器安装在坐在椅子上与镜头外的人交谈的女子的腿上.
Ryan Posh博士.D. 他是澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司工程学院漫游实验室的一名学生, 将传感器安装在劳拉·莱特的左腿上.
截肢腿上的传感器连接到动力假肢小腿的细节.
安装在“光”残肢上的传感器与动力假肢小腿和脚相连.

当这个装置根据她的肌肉控制时,它迅速弹到合适的位置. Light喘着气说,感觉“就像脚里有一只青蛙”.她很快就想出了如何调整腿的位置,以尽量减少脚跳.

“这太奇怪了,”她惊呼道. “我不知道怎么把脚送到我想去的地方.”

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, 这是光从来没有理由去尝试的.

“I’m not used to firing that muscle; I’ll have to build it up,” she said. “我敢打赌,最近截肢的人会知道如何做得更容易.”

在站立和进行三次行走测试之前,将光钩在安全带上. 进行了调整,使脚后跟的电动推力在她走路的正确时刻发生. 马达发出一种像花栗鼠吱吱叫的嗡嗡声.

光练习前后滚动脚, 踮起脚尖坐着,脚平放在地板上. 她说:“我喜欢这个脚踝可以转动。. “我不想回到我原来的脚.”

一名戴着亮黄色背带的女子在跑步机上行走,她戴着动力假肢小腿,微笑着抓着旁边的栏杆.

推进市场

Light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. 温辛说,他预计随着电池和计算机小型化技术的发展,尺寸会变小, 就像现在的智能手机比原来房间大小的大型机拥有更强的计算能力一样.

与一位校友讨论了一项潜在的合作,他可以加快将这项技术推向市场的速度. 吉姆•科尔文, 他是83届毕业生,是俄亥俄州义肢制造商WillowWood的研究和技术主管, 在这个行业工作了30年.

科尔文说,该公司于1907年由一名在火车事故中失去双腿的刹车员创立,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, 那时澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司做的一些腿还是木制的,科尔文说. “但它仍然没有达到天然肢体的功能,所以澳门新莆京网络平台(中国)官方网站-澳门新浦京有限公司还有很多工作要做。.”

“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还生产内衬产品,以保护与假肢相连的截肢部位. “这个界面可能会损害肢体组织,因为它不是为这种极端负荷而设计的,他说.

该公司开发的一款新产品将像温辛使用的那样的肌电传感器嵌入到衬垫中. 科尔文说,他已经与温辛讨论了将这项技术与漫游研究相结合的建议,以改进进入市场的产品.

“先进的设备更加直观, 所以用户会觉得这是他们的一部分,并且可以无缝地工作,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.”