운동 보조용 외골격 개발의 기회와 과제

Nature Biomedical Engineering 7권, 456~472페이지(2023)이 기사 인용

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외골격은 손상되지 않은 사용자의 성능을 향상시키고 보행 장애가 있는 개인의 움직임을 복원할 수 있습니다. 사용자가 웨어러블 장치와 상호 작용하는 방식과 운동의 생리학에 대한 지식은 단일 관절 또는 단일 활동을 구체적으로 목표로 삼을 수 있는 강성 및 연성 외골격의 설계에 정보를 제공했습니다. 이 리뷰에서 우리는 외골격 기술과 운동 보조를 위한 하지 외골격 개발에서 지난 20년간의 주요 발전을 강조하고, 이러한 착용형 로봇에 대한 연구 요구 사항과 외골격 보조 보행 재활을 위한 임상 요구 사항을 논의하고, 개요를 설명합니다. 외골격 기술의 주요 임상 과제와 기회.

운동을 보조하는 외골격은 100여 년 전에 대중적인 상상 속으로 들어왔고, 이어서 일련의 초기 특허와 프로토타입1,2,3,4,5이 이어졌습니다. 20세기 후반과 21세기 초반의 다른 발전 중에서 미국 국방고등연구계획국(DARPA)의 인간 성능 강화 프로그램6을 위한 외골격의 자금 지원을 통해 하지용 웨어러블 로봇 장치의 개발이 가능해졌습니다. 특히 Berkeley 하지 외골격인 BLEEX7,8, Sarcos Guardian XO9, MIT 준수동 외골격10,11,12,13)을 사용하여 하중을 운반하는 동안 힘을 강화하고 힘을 줄였습니다. 걷는 동안 착용자의 부담을 덜어주고 보조 관절 토크를 제공함으로써 체중을 ​​지탱하는 하지 외골격은 부하 용량을 늘리고, 효율성과 지구력을 향상시키며, 걷기의 어려움을 줄이려고 노력했습니다11. 이는 잠재적으로 군인, 최초 대응자 및 주말에 도움이 됩니다. 전사. 외골격 보조 운동의 대사 비용을 측정하는 것은 착용자의 노력과 노력을 정량화하는 표준이 되었습니다. 따라서 로봇 없이 걷는 것과 비교하여 대사 비용 절감을 입증하는 것은 힘과 성능을 향상하도록 설계된 외골격의 주요 목표가 되었습니다. 그들의 약속에도 불구하고, 손상되지 않은 사용자의 성능 향상을 위한 하지 외골격은 처음에는 외골격 없이 걷는 것과 비교하여 대사 비용 절감을 입증하지 못했습니다. 따라서 더 가벼운 하드웨어와 자율 시스템이 목표 중심 실험에서 개발 및 테스트되었으며 단일 관절 시스템은 기본 생물학적 메커니즘을 탐색하기 위해 테스트되었습니다. 이러한 기술적 진보는 궁극적으로 외골격이 군용, 산업 및 레크리에이션 용도로 적재 또는 하역 이동 중에 대사 비용을 줄인다는 구상된 목표를 달성할 수 있게 했습니다.

하중 전달 성능을 향상시키기 위한 외골격 개발과 함께 장치(특히 Lokomat17, Gait Trainer18, 하지 전동 외골격(LOPES)19, 활성 다리 외골격(ALEX)20,21 및 Rutgers Ankle22)은 기계화하도록 설계되었습니다. 척수 손상(SCI) 또는 뇌졸중 이후 걷는 법을 다시 배우는 개인을 위한 물리 치료. 일반적인 임상 실습에서는 물리 치료사가 기능적 개선을 위한 움직임 패턴의 재학습을 촉진하기 위해 걷는 동작을 통해 보행할 수 없는 환자의 발과 다리를 수동으로 움직일 것을 요구합니다23. 물리 치료사의 이러한 부담을 덜어주고 수동 지원의 한계에 구애받지 않고 최적의 강도로 정확한 개입과 훈련을 제공함으로써 환자의 결과를 개선하기 위해 로봇 장치가 개발되었습니다. 외골격은 처음에는 전통적인 비로봇 보행 훈련 방법에 비해 비용을 정당화할 수 있는 임상적 개선을 보여주지 못했습니다. 그러나 기본 생체 역학 및 생리학에 대한 더 나은 이해는 작동 및 제어를 위한 생물학적 영감 전략을 포함하여 외골격 설계의 개선으로 이어졌습니다. 예를 들어, 보행 재활 장치에는 '환자-협조 제어'가 구현되어 더욱 개별화된 지원이 가능해졌습니다37,38,39,40,41,42,43. 이러한 '필요에 따라 지원' 접근 방식은 보행 기능이 일부 남아 있는 개인의 보행을 강화하는 동시에 자신의 기여를 장려하는 데 특히 중요합니다.