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犹他大学研发AI仿生腿 可让使用者自然行走

犹他大学(University of Utah)的研究团队开发全球首创真正的仿生(bionic)腿,为具备内建电池动力、计算机处理器、机动踝关节与膝关节的义肢腿,可协助被截肢者走得更平衡、更轻松、更快、更有活力,并能自动适应使用者的动作与步伐、协助使用者跨越或避开障碍。

犹他大学研究团队开发的仿生(bionic)义肢介绍影片

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Utah Bionic Leg义肢腿可让截肢者重获正常、平稳行走的机会。犹他大学

根据Medgadget与犹他大学报导,犹他大学的义肢腿原型装置Utah Bionic Leg主要采用质轻的铝与钛材料,重约2.7公斤差不多是其它目前研发中仿生腿的50%。此外Utah Bionic Leg原型装置所有元件集成运行的特殊设计,以及使用内建的小型电池为马达供电也有助于装置的轻量化,对于占残肢者极大比例的年长者与因血管疾病失去下肢的患者是一大福音。

一般的电动义肢相当沉重,通常设计供较年轻与强壮的人使用,因此对年长截肢者的行动力仅能提供有限的协助。此外也无法感知穿戴者的需求,例如每次穿戴者要坐下、起立、登梯时,都会需要义肢腿的关节活动才能配合,因此电动义肢腿若要达到让使用者感到自然并能流畅、有效率的移动,在踏出每一步时必须考量关节马达启动所需的时间。

Utah Bionic Leg原型装置透过客制的动力(bespoke force)与转矩(torque)传感器,以及现成的加速度计(accelerometer)与陀螺仪(gyroscope),随时侦测义肢腿的状态与在空间的位置,感知环境与使用者的韵律动作、步长与步速,并传输至内建的计算机运用人工智能(AI)算法分析这些资料,以掌握使用者目前运用义肢腿的行动意图与所处的状况。

因此Utah Bionic Leg可预测与感知使用者打算进行的活动并让义肢腿自动配合运行,透过最佳化的智能传动系统连结电动马达与关节,并根据实时资料来启动义肢腿的脚踝关节与膝关节动力,以实时配合使用者行走、起立、坐下、爬梯、避开障碍等行动意图,并继续保持最佳整体平衡状态、提供非常自然的走路步态、强化步行的灵活度与耐力。

初期的测试显示Utah Bionic Leg原型装置性能表现令人印象深刻,使用者在行走时残肢的部分较不易感到疼痛与不适,并可减少身体的压力,能体验到使用其它义肢未曾有过的自然步态。参与Utah Bionic Leg测试的部分年长者表示,这项原型装置让他们重新体验正常的走路方式且能持续步行更长的时间。

犹他大学这项计画最近又分别获得美国国立卫生研究院(NIH)与国家科学基金会(NSF)资助的220万美元与60万美元,以持续发展仿生义肢腿的相关技术,包括研究如何运用Utah Bionic Leg提升使用者的机动力与活动力,以及如何透过追踪使用者残肢肌肉的活动,而能更准确预测使用者的动作。研究团队希望促进仿生义肢装置的普及化以造福所有有需要的人。


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