一组膝关节外骨骼，由密歇根大学使用商业上可获得的膝关节支架和无人机马达创建，被发现能有效减少在举重和搬运活动中的疲劳。研究人员声称，这些设备帮助用户保持正确的举重姿势，即使在疲劳时也能做到，这对预防工作场所受伤至关重要。
密歇根大学研发的这组膝关节外骨骼，利用商业上可获得的膝关节支架和无人机马达，被发现能够有效降低在执行举重和搬运任务时的疲劳。研究表明，这些外骨骼有助于用户在疲劳时保持正确的举重姿势，这对于预防职场受伤至关重要。
“我们并不是简单地支持背部而妥协于正确的举重技术，而是专注于增强腿部力量，以维持正确的姿势，”密歇根大学的机器人学教授、发表在《科学机器人》上的研究的主要作者罗伯特·格雷格（Robert Gregg）说道。“这种方法与各行业现有的做法不同。”
在需要频繁举重的工作中，如建筑和制造，工人通常使用背部支架。使用弹簧或马达来辅助举重的背部外骨骼是一种新兴技术。然而，格雷格指出，这些设备的设计假设不安全的举重或弯腰姿势正在发生，并且在进行非举重任务的移动时，它们可能笨重，需要关闭。
密歇根的研究团队声称，他们的膝关节外骨骼是首个增强股四头肌的外骨骼，而股四头肌对于有效的深蹲举重至关重要，提供了一种不那么碍事的方法来保护工人免受背部伤害。研究的参与者在举重和搬运20磅的壶铃时测试了这些外骨骼。
活动包括从地面举起壶铃并放下，以及在平坦表面、斜坡和楼梯上举起和搬运壶铃。研究显示，疲劳的参与者在外骨骼的帮助下能够保持更好的姿势，他们的举重速度也更快，相较于疲劳前的速度，仅减慢了1%，而在没有外骨骼的情况下，他们的速度减慢了44%。
“在工人必须跟上输送带的情况下，这一点尤为重要。通常，当工人感到疲劳时，他们可能会保持相同的速度，但代价是姿势不正，这会增加受伤的风险，”密歇根大学的机器人学博士后研究员、研究的第一作者尼基尔·迪维卡（Nikhil Divekar）解释道。
参与者报告了积极的体验，因为大多数人表示他们对外骨骼感到相当满意或很满意；唯一的例外是在平坦地面行走时，他们的满意度一般。这与在这样的简单任务中股四头肌所需的最小辅助相符，格雷格指出，它提供了足够的支持，以抵消外骨骼的重量。
外骨骼舒适感的一个关键因素是电机及其齿轮设计，使用户能够自然地移动膝盖。此外，软件的设计旨在通过评估膝关节角度、大腿和小腿的对齐情况以及位于用户鞋子中的传感器检测到的力量来预测所需的支持。
通过从双腿捕捉这三个指标，设备可以确定用户的动作和所需的适当辅助水平。这些读取每秒被采集150次，允许外骨骼无缝适应各种任务。
这种方法不同于许多现有的外骨骼控制器，它们遵循特定活动范围内的预定义模式。当任务变化时，这些控制器可能面临挑战，有时需要整整一秒钟才能确定用户的意图，格雷格指出。
“想象一下，你的外骨骼是为上楼梯编程的，但你想下楼；这可能会产生问题。”他说。
创新的控制器结合了物理模型和机器学习，帮助防止用户在控制器的训练活动范围之外行为时外骨骼的意外动作。
实验室开发的原型价格约为每对$4,000。然而，格雷格预计，如果大规模生产，成本可以降至每对约$2,000。
这项研究涉及十位参与者，其中五名男性和五名女性，他们在两天内完成所有活动：一天是休息状态，另一天是疲劳状态。为了引起疲劳，每位参与者进行了一系列的壶铃深蹲举重，直到他们无法继续而不需要显著休息。所有参与者都熟悉正确的深蹲举重技术。
该研究得到了国家卫生研究院的资助。
研究团队在密歇根大学创新合作伙伴关系的帮助下寻求专利保护，并寻找合作伙伴来推广这项技术。
