Personalization of Passive Hip Exosuit for Efficient Human Walking
本研究表明，利用人类在环（human-in-the-loop）贝叶斯优化来个性化调节被动髋部外骨骼的带位置，能够显著降低步行代谢成本 8.39% 以及比目鱼肌的活动量，其表现优于非辅助步行和固定位置配置。
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行走是人体进行的一项工程壮举，尽管它看起来毫不费力，却需要消耗惊人的能量。对于许多人，尤其是那些有行动障碍的人或老年人来说，这种日常的能量消耗会导致疲劳并限制其独立性。科学家们长期以来一直致力于制造能够充当“第二套肌肉”的穿戴式设备，以帮助人们更轻松地移动。这些被称为“外骨骼衣”（exosuits）的设备是基于织物的软体系统，通过包裹身体来提供轻柔的辅助。虽然有些版本使用电机和电池来推动或拉动，但一种更简单、更经济的方法是利用弹性带。这些被动式设备在人体运动时储存能量，并在下一步行动时释放能量，就像弹簧一样。其目标是降低“步行代谢成本”，即衡量人体为了移动而消耗多少燃料的一个指标。如果一个设备能降低这一成本，就意味着这个人走路效率更高，从而为其他任务节省了能量。
多年来，研究人员一直专注于调整这些弹性带，使其与人的步幅节奏相匹配。他们曾尝试调整弹性带的紧绷程度或拉动时机，并假设“一刀切”的方法或标准的放置位置对每个人都有效。然而，人体并非完全相同。每个人的行走风格各异，肌肉力量不同，关节运动方式也各具特色。对一个人有帮助的放置位置可能会阻碍另一个人。这种差异性表明，一个真正有效的设备的关键可能不仅在于拉力有多强，还在于弹性带在身体上的确切位置。来自印度理工学院卡拉格普尔分校和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员最近开展了一项研究，旨在测试这一想法。他们提出了一个简单而深刻的问题：如果他们能为每个人找到放置弹性带的最佳位置，是否能让行走变得显著容易？
为了回答这个问题，研究小组招募了十名健康的男性，让他们穿着定制的被动式髋部外骨骼衣在跑步机上行走。该设备由一个腰部束带和两个大腿套组成，中间由一根可以移动到不同锚点位置的弹性带连接。研究人员设计了六个可能的弹性带位置：两个位于髋部前方，用于辅助腿部向前弯曲；两个位于后方，用于辅助腿部伸直；另外两个位于侧面，用于辅助腿部的向外摆动。由于在每位受试者身上测试每一个位置会耗费数小时并导致受试者精疲力竭，研究人员采用了一种名为“人在回路贝叶斯优化”（human-in-the-loop Bayesian optimization）的智能自适应方法。简单来说，这是一种会随着过程不断学习的计算机算法。它要求用户行走，测量他们消耗了多少能量，然后利用这些数据来猜测下一个最值得尝试的位置。这是一个智能试错的过程，通过缩小搜索范围，找到最适合特定个人的特定位置。
结果清晰且意义重大。当研究人员为每位受试者找到最佳弹性带位置时，与完全不穿戴任何设备相比，步行所需的能量平均降低了8.39%。与以往研究中常用的固定标准位置相比，这一进步更为显著，因为标准位置仅能减少约4%的能量消耗。研究表明，“最佳”位置具有高度的个人化特征。对于一半的参与者来说，最有效的放置位置是在髋部后方；而对于其他人，前部或侧部则效果更好。不存在一个能帮助所有人的“神奇位置”；理想的位置完全取决于个人的独特行走风格。这一发现挑战了为所有用户设计统一配置的外骨骼衣的普遍做法。
除了节省能量，研究人员还观察了肌肉内部发生了什么。他们发现，当弹性带处于最佳位置时，作为小腿主要推进肌肉的比目鱼肌（soleus muscle）的活动量减少了约7.35%。这表明弹性带成功地分担了负荷，使人体自身的肌肉在保持前进运动的同时能得到适度的休息。研究还观察到了髋部和踝部运动的变化。对于那些从髋部后方放置弹性带中获益最多的参与者，他们的腿部向后延伸得更远；而对于使用前部弹性带的人，他们的腿部则向前弯曲得更深。这些细微的运动变化表明，人体能够自然地适应这种辅助，在设备放置正确的情况下，找到一种新的、更高效的节奏。
研究人员谨慎地指出，虽然这些结果令人鼓舞，但它们是在受控的实验室环境下针对健康的年轻男性观察到的。该研究表明，这种方法对于老年人或行动不便的人群可能更具价值，因为这些人群的行走模式差异更为广泛。使用智能算法快速找到正确设置的方法是一个巨大的优势，因为它避免了长时间、令人疲惫的测试环节。通过证明辅助位置的重要性不亚于拉力强度，这项工作为设计穿戴式设备开辟了一条新路径。它表明，未来辅助技术的方向不在于制造更强大或更复杂的机器，而在于让它们变得更聪明、更个性化，从而根据佩戴者独特的几何结构量身定制支持。
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