在菲茨帕特里克工程大厅的地下室,抓着一架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踮起脚尖时,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的助理教授,擅长机器人和机动假肢, 向他的两个博士生竖起大拇指. 大卫·凯利专注于光的平衡和安全, 而瑞安·Posh则观察他的电脑从连接在莱特左小腿残余肌肉上的几个电子传感器接收到的数据.

“这是令人惊异的, 因为自从我的脚在很小的时候被截肢后,我就再也不能那样做了. 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

传感器读取来自Light肌肉的电抽搐信号, 这让她第一次完全控制机动踝部装置的前倾,并最终踮起脚尖站立.

“我觉得自己像个小孩子,”28岁的莱特说. “这是令人惊异的, 因为自从我的脚在很小的时候被截肢后,我就再也不能那样做了. 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旋转的办公椅上,测试一个动力假肢小腿.
劳拉·莱特帮助365体育娱乐场工程学院的机器人优化和辅助移动实验室(漫游)开发的动力假肢进行测试并提供反馈。.

文兴从事机器人研究, 外骨骼和动力小腿假肢作为机器人的主管, 优化与辅助移动性(漫游)实验室 工程学院. 目前,数千名下肢截肢患者的假肢可以提供运动辅助, 文兴的团队正在改进人机界面,使用户可以控制脚踝的运动——在提高舒适度和安全性的同时,给予他们至关重要的“意志感”.

一名男子帮助一名戴着动力假腿的女子登上实验室里的跑步机.
帕特里克·文斯, 机器人技术总监, 优化, 以及辅助移动(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. 第一种是意志型的,它基于肌电传感器,使Light能够控制脚踝的翻转运动. 第二种是自动的,它会根据预先设定的角度来自动提高脚踝的转动,就像一些现有的机动假肢一样. 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用每种系统在跑步机上走了两分钟, 凯利则拍下了她的步态,以评估它看起来有多自然. Posh收集了肌电传感器接收和响应Light肌肉信号的数据.

“这比365体育娱乐官网想象的要好,”文兴在实验结束后说. “目前有很多针对假手的肌电解决方案. 但对于腿部来说就少了,因为你必须避免摔倒以确保安全.” 

一名身穿亮黄色挽具的女子踮起脚尖,测试动力假肢小腿.

痛苦的抉择

Light诞生于孟菲斯, 田纳西州, 患有腓骨偏瘫, 小腿的小骨头太短或缺失的地方. 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而不确定的手术来挽救她的小腿. 在与做出这两种选择的医生和家人交谈后, 他们在14个月大时选择截肢.

“在我18个月大的时候,我就有了一条义肢,”莱特说. “我不知道有什么不同.”

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. 她有好几项运动,最喜欢排球. 在实验室里, 她说自己被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.

一名女子戴着假腿打排球.
劳拉·莱特出生时患有腓骨半侧畸形, 小腿的小骨头太短或缺失的地方, 但这并不妨碍她参加她最喜欢的运动, 排球.
花卉和彩色假腿的细节镜头.
Light和家人在印第安纳州Goshen附近的Ox Bow公园玩沙滩排球.

莱特是埃尔克哈特县的调度员. 她从一则新闻中得知了文星的研究,并通过电子邮件联系了她. 她说,她很高兴自愿参加测试,尽管这项现在庞大的技术可能还需要数年时间才能缩小并进入商业市场.

“我现在穿的这只脚还不错, 但就自然翻滚而言,它确实有一些局限性, 因为脚踝已经固定好了,“光说. “这只脚,我认为,将是巨大的,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,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势包括踮起脚尖, 向后行走,并且能够在坐着的时候将脚一直旋转到地板上.

她说:“对我来说,这很重要,因为我从来没有坐着的时候。. “它总是占据这么多空间,当你在一个狭窄的空间时,这是令人沮丧的. 而且,保持自然的步态可以拯救我的臀部和腰部.”

一个装在动力假肢脚踝上的假脚, 印有365体育娱乐官网字母的贴纸, 周围的电线.

机器人的粉丝

文兴在克利夫兰东部长大,高中时就开始接触机器人. 他说:“在九年级的时候,我第一次参加了机器人比赛,这是非常了不起的。. “我的兴趣就是从那里开始的,并真正从那里开始增长.”

帕特里克·文兴的头像,戴着眼镜,穿着浅灰色西装,系着石灰绿色领带.

365体育娱乐官网希望人们佩戴的这些设备随着时间的推移会变得更好, 让人们更好地使用它们, 365体育娱乐官网正试图梳理出如何加速这一过程.” 帕特里克·文斯

他在俄亥俄州立大学(Ohio State University)学习电气和计算机工程,并继续在那里获得博士学位. 他曾在法国短暂地研究人形机器人, 验证他的论文理论, 并在麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)获得博士后职位,让机器人更加自主和可操控.

文兴于2017年来到365体育娱乐场,他说,这所大学和教职员工支持他的研究愿景. 他过去也和 吉姆Schmiedeler他是人类的专家 生物力学 也从俄勒冈州立大学来到南本德,并且是目前这项研究的合作者.

“他的工作与我从事的核心机器人工作非常契合, 所以365体育娱乐官网有很大的协同作用,”文斯说. “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. 365体育娱乐官网希望人们佩戴的这些设备随着时间的推移会变得更好, 让人们更好地使用它们, 365体育娱乐官网正试图梳理出如何加速这一过程.”

一个穿着“漫步”t恤的男人后背的细节. 在男子身后的背景中,有两个人坐在实验室里.
365体育娱乐场工程学院博士.D. 学生大卫·凯利帮助劳拉·莱特安装了一个动力假肢小腿和脚.
在笔记本电脑上工作的两名男子看着左边的显示器评估数据.
漫步实验室主任帕特里克文兴(左)和博士.D. 学生瑞安·Posh在试验期间检查数据.

除了下肢假肢装置,文兴的“漫步”实验室还可以在四条腿上工作 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, 他是印第安纳大学医学院的伤口愈合专家, 他曾与Schmiedeler和Wensing在国防部的项目上合作.

“我对这种潜力感到非常兴奋,”森说. “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动力假肢的小腿上工作,而另一名男子则抓住了假肢的顶部.

实验室测试

“漫游”团队在2021年与“光明”会面,但他们必须获得安全许可才能进行人体试验. 5月, Light作为第一个测试电动假肢的截肢者来到了地下室的实验室,Wensing和Posh之前也在他们身上试过.

亚当·沃, 一个认证的假肢与Transcend矫形和假肢, 加入了365体育娱乐场的研究人员,提供建议和帮助. 他最重要的职责是拆除并重建莱特目前的假体,这样她就可以在不危及安全的情况下尝试实验用的假体.

沃说:“365体育娱乐官网很高兴有机会为这项研究提供支持和协助。. “每一个从各种复杂设备中受益的病人都有像瑞恩这样的人,感谢他们为推动假肢行业的技术进步所做出的贡献.”

虽然这项研究仍处于早期阶段, 我相信它会在未来改善许多人的生活.”亚当沃

沃经常与截肢患者一起工作,看到新的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,由于多年来过度补偿,她的另一条腿的膝盖也撕裂了.

“这可能会增加腿部的血流量, 使用时减少体积波动, 全面改善健康侧肢,”沃说. 虽然这项研究仍处于早期阶段, 我相信它会在未来改善许多人的生活.”

Posh首先把Light的鞋子放在假体上,并把一个微控制器粘在假体的插座上. 他将电极传感器连接到她小腿残余部位的不同部位,以记录肌肉收缩情况.

第一步是校准, 测试电脑是否能捕捉到她肌肉伸展和弯曲的信号. 信号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个读数的速度记录了它们.

一名男子将传感器安装在一名坐在椅子上与镜头外的人交谈的女子的腿上.
博士Ryan Posh说.D. 365体育娱乐场工程学院“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.
截肢腿上的传感器细节与动力假肢小腿连接.
连接在Light残肢上的传感器连接到一个动力假肢的小腿和脚.

当该设备根据她的肌肉进行控制时,它会迅速弹出到合适的位置. 莱特倒吸了一口冷气,说感觉“就像脚上有一只青蛙”.她很快就学会了如何调整腿的位置,尽量减少脚跳.

“这太奇怪了,”她惊呼道. “我不知道怎么把它(脚)送到我想要的地方.”

Posh和Wensing向Light保证,学习如何发送肌肉信号来控制动作需要时间, 这是莱特从未有过的尝试.

“I’m not used to firing that muscle; I’ll have to build it up,” she said. “我敢打赌,最近做过截肢手术的人会更容易做到这一点.”

在站起来并进行三项行走测试之前,把灯系上安全带. 经过调整,使机动推力离开脚跟将发生在正确的时刻,在她的步行步态. 发动机发出一种嗡嗡的声音,几乎像花栗鼠的吱吱声.

Light练习前后滚动脚, 踮起脚尖,坐着把它平放在地板上. “我喜欢这个脚踝卷,”她说. “我不想变回原来的样子.”

一名身穿亮黄色挽具的女子戴着动力假肢,在跑步机上行走,手抓着旁边的栏杆微笑.

推进市场

Light知道暴露在外的电线和实验脚的大部分使它不适合全职使用. 这种配置让研究人员可以很容易地定制它. 文兴说,他预计随着电池和计算机小型化技术的发展,尺寸会越来越小, 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.

他们与一位校友讨论了一项可能的合作,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年的毕业生,俄亥俄假肢制造商威洛伍德的研究和技术主管, 在这个行业工作了三十年.

科尔文说,1907年,一位在火车事故中失去双腿的刹车工创办了这家公司,他开始用柳树木雕刻假肢. “自从我开始工作以来,我看到了很大的改善, 那时365体育娱乐官网做的一些腿还是木制的,”科尔文说. “但它仍然低于天然肢体的功能,所以365体育娱乐官网还有很多工作要做.”

“作为一名工程师,应用技术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断肢. “这种界面可能会损害肢体组织,因为它不是为这种极端负载而设计的,”他说.

该公司开发的一种新产品将像文兴公司使用的那样的肌电传感器嵌入到衬里. 科尔文说,他已经和文星谈过将这项技术与“漫游”研究结合起来,以改进进入市场的产品的建议.

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