- 提供配置文件
- 哈佛生物设计实验室汇集了来自工程、工业设计、医疗和商业领域的研究人员，为智能医疗设备开发技术。这些技术受到人体生物力学实验结果的启发，其发展受到在手术室了解临床医生未满足需求的时间的影响。实验室成员与Wyss研究所的工业合作伙伴和技术专家密切合作，将这些技术转化为满足现实医疗需求的产品。
产品组合
软Exosuits
- 我们正在开发下一代柔软可穿戴机器人，使用创新纺织品提供更适形、不显眼和顺应性的方式与人体连接。这些机器人将增强健康人的能力(例如提高行走效率)，除了帮助那些肌肉无力的人或患有身体或神经疾病的患者。与传统的外骨骼相比，这些系统有几个优点:穿戴者的关节不受外部刚性结构的约束，穿着的部分非常轻。这些特性最大限度地减少了服装对人体自然生物力学的无意干扰，并允许与穿着者进行更多的协同互动。
-
-
-
结构化的功能性纺织品
- 我们正在创造创新的纺织品，灵感来自对人类生物力学和解剖学的理解。这些可穿戴服装提供了将辅助力矩传递到穿戴者关节的方法，而无需使用坚硬的外部结构。为了获得高性能的软服，在设计过程中应该考虑到一些因素。外服应该安全舒适地附着在身体上，并通过有益的途径将力传递到全身，这样在关节处就能产生生物上合适的力矩。此外，这些服装可以被设计成被动(没有主动动力)产生辅助力，因为在特定任务中穿着的自然运动。exosuit的一个关键特点是，如果驱动节段加长，服装的长度可以增加，从而使整个服装是宽松的，在这种情况下，穿着exosuit就像穿着一条裤子，不限制穿着者。
-
-
轻量化和高效的驱动
- 为了通过软界面提供主动辅助，我们正在开发一些驱动平台，通过在可穿戴服装的锚点上附着，可以向穿戴者施加可控的力。我们正在开发轻量级和完全便携的系统，我们方法的一个关键特点是，通过更近端安装的驱动系统和将动力传输到关节的柔性传动系统，我们将附着在佩戴者身上的远端质量最小化。虽然我们最近的大部分工作是在电缆驱动的机电方法，但我们也追求基于气动的方法。2013年，McKibbon促动器的早期工作首次证明了柔软的外衣可以对机动性产生积极影响。
-
-
可穿戴式传感器
- 为了适当地控制和评估柔软的外服，需要易于与纺织品和软部件集成的新型传感器系统。刚性外骨骼通常在机器人关节中包含编码器或电位器等传感器，可精确跟踪关节角度，但这些技术与软结构不兼容。我们的方法是设计新的传感器来测量人体运动学和服装与人的交互作用力，这些传感器健壮、合规、经济有效，并易于集成到可穿戴服装中。此外，我们还使用了其他现成的传感器技术(如陀螺、压力传感器、IMU)，这些技术可用于检测步态周期中的关键事件。这些可穿戴传感器可以作为可穿戴机器人控制策略的一部分，也可以用于监视和记录穿戴者的运动(当穿着外服或作为独立的传感器服时)，以跟踪随时间的变化或确定他们正在进行的活动(例如步行vs跑步)。
-
-
直观、鲁棒的控制
- 我们还在快速开发可重构多执行器系统，为基于实验室的研究提供更大的灵活性。这样的方法可以让我们快速探索与这种系统人机交互的基础科学，然后可以用来指导我们的便携式系统的设计。一个健壮、直观和自适应的人机界面是可穿戴机器人与佩戴者协同交互的必要组成部分。我们的重点是在不破坏自然、被动的动力的情况下提供帮助，这种动力使步行或跑步变得如此高效。为了实现这一目标，我们开发了非侵入性估计意图的方法，以便任何应用的驱动都能辅助适当的生物肌肉。我们的方法的一个关键特点是利用集成传感器来监测穿戴者与身体接口的柔性纺织品的交互，以及其他传感器来检测步态周期中的关键时刻。
-
-
实验生物力学
- 我们的运动捕捉实验室使用Vicon t系列9摄像头系统进行运动捕捉，以及Bertec全仪表分带跑步机来测量grf。通过比较三种情况下每个关节的平均轮廓和运动范围，我们可以确定柔软的外服本身是如何影响步态的，以及外服所应用的辅助是如何改变运动学的。我们的假设是，这种变化是最小的，在任何情况下都不会破坏自然步态是可取的。我们通过分析步态动力学和动力学(关节力矩、动力、由外服提供的力)来研究主动外服在多大程度上帮助人类。逆动力学是一种有效的方法来确定服装在多大程度上增强了关节水平的身体功能。通过关节力矩和服装辅助力的比较，我们可以监测用户和机器人之间的同步程度。表面肌电图(表面肌电图)可用于选择性地监测肌肉活动，重点关注与所考虑的任务最相关的肌肉群。比较无动力、有动力和无服条件下表面肌电信号活动的整体平均剖面，可以确定对每块肌肉传递的最大力量(表面肌电信号峰值激活)和每块肌肉激活的能量消耗(表面肌电信号积分)的影响。我们使用走路的代谢成本作为一个整体的生理测量，以确定服装在多大程度上帮助穿着者，以及辅助是否抵消了设备的重量。
-
-
转化应用
- 除了我们在基础研究和系统开发方面的工作外，我们对我们的软穿戴机器人的应用非常感兴趣。通过DARPA资助的工作，我们对开发能够帮助士兵负重行走的外服很感兴趣。我们相信，我们可以创造被动和主动的系统，减轻腿部肌肉和肌腱的高压力，从而降低受伤的风险，提高佩戴者的行走效率。我们小组的另一个翻译重点是医疗应用的步态辅助。我们预计柔软的外服能够恢复肌肉无力(如老年人)或患有神经系统疾病(如中风)的患者的活动能力。除了我们的主动系统，我们还设想了在运动和娱乐领域的转化潜力，在走路、徒步旅行、跑步和其他活动时，完全被动的柔软西装和结构化功能性纺织品可以提供少量的辅助。
柔软的机器人
-
-
-
多材料射流致动器
- 软流体执行器由弹性矩阵和嵌入的柔性材料(如布、纸、纤维、粒子)组成，由于其重量轻、价格合理，而且易于针对特定应用进行定制，因此机器人界对其特别感兴趣。这些执行器可以在多步成型过程中快速制造，并可以通过简单的控制输入(如加压流体)实现收缩、伸展、弯曲和扭转的组合。我们的方法是使用新的设计概念、制造方法和软材料来提高这些执行器与现有设计相比的性能。特别是，我们使用激励应用程序(例如心脏辅助设备、软机器人手套)来定义运动和力剖面需求。然后，我们可以将机械智能嵌入到这些软执行器中，通过简单的控制输入实现这些性能要求。
-
-
软执行器建模
- 由于超弹性材料和它们产生的大弯曲运动的非线性性质，描述和预测软多材料作动器的行为具有挑战性。我们正致力于通过分析、数值和实验方法全面描述这些执行器的工作原理，并将其输出(运动和力)描述为输入压力以及几何和材料参数的函数。模型和实验都可以深入了解驱动器的行为和影响它的设计参数。我们预计这项工作将导致改进的预测模型，使我们能够迅速收敛于这些软执行器的新的和创新的应用。
-
-
传感和控制
- 为了控制软执行器，我们需要监测它们的运动学、与环境中物体的相互作用力和内部压力的手段。我们通过使用与合作者共同开发的全软传感器，以及可以在制造过程中纳入执行器设计的微型或柔性传感器来实现这一目标。对于动力和控制，我们使用现成的组件，如电子阀门、泵、调节器、传感器和控制板等，利用压力、运动和力的反馈控制，快速调节执行器腔内的压力。此外，我们可以使用我们开发的分析模型来估计可能难以直接测量的状态变量。
-
-
转化应用
- 今天，美国约有400万患有偏瘫的慢性中风幸存者，全球发达国家另有600万。此外，还有数百万人患有类似的疾病。对于大多数这些病例，可以观察到手部运动能力的丧失，无论是部分的还是全部的，这都会极大地抑制日常生活活动(ADL)，并会大大降低一个人的生活质量。为了应对这些挑战，我们正在开发一种模块化、安全、便携、可消费的家庭手部康复和辅助设备，旨在以较低的成本显著增加治疗的数量(即时间)和质量，改善患者的预后，同时提高患有慢性手部残疾的用户的独立性，使他们能够进行日常生活活动。
在美国，终生患心力衰竭的风险约为20%。目前的临床标准治疗是植入心室辅助装置，该装置接触患者的血液，与血栓栓塞事件、溶血、免疫反应和感染有关。我们正在应用软机器人领域开发一个台式心脏模拟器和一个直接心脏压缩(DCC)装置，该装置采用弹性矩阵中的软执行器。DCC是一种非血液接触的心脏辅助治疗心力衰竭的方法，包括植入环绕心脏的设备，并与本机心跳同步收缩，在心脏周期的射血期(收缩期)和舒张期(舒张期)提供直接的机械辅助。
相关文章
-
-
沃尔什推进可穿戴机器人设计
-
- 波士顿剑桥/质量。2014年9月11日消息——哈佛大学威斯生物激励工程研究所今天宣布，它从美国国防高级研究计划局(DARPA)获得了一份价值290万美元的第一阶段后续合同，以进一步开发一种生物激励智能服装。这种名为“软外套”(Soft Exosuit)的设备旨在舒适地穿在衣服里面，使士兵能够走更远的距离，避免疲劳，并在携带重型物品时将受伤的风险降到最低。这种衣服的替代版本最终也可以帮助那些行动不便的人。
DARPA的“战士网络”项目旨在为军事人员开发预防和减少肌肉骨骼损伤的技术，但同样的技术也可以用于民用。这种伤害的减少可以减少长期的医疗成本，提高穿这种衣服的人的生活质量。
这是一份可能分为两阶段的合同中的第一份，它使Wyss研究所核心教员Conor Walsh和他的团队能够在他们早期的工作基础上继续工作，该工作也得到了DARPA的资助，演示了这种全新的可穿戴机器人设计和制造方法的概念验证。受到对人类行走生物力学的深刻理解的启发，Soft Exosuit技术正在催生全新形式的功能性纺织品、灵活的动力系统、软传感器和控制策略的发展，使直观和无缝的人机交互成为可能。
沃尔什说:“虽然可穿戴机器人的想法并不新鲜，但我们的设计方法肯定是新的。”沃尔什还是哈佛工程与应用科学学院(SEAS)机械与生物医学工程助理教授，也是哈佛生物设计实验室的创始人。
这款轻量的软外骨骼套装旨在克服传统重型外骨骼系统的挑战，如耗电的电池组和会干扰关节自然运动的刚性组件。它是由柔软的功能性纺织品编织而成的一件智能衣服，可以像裤子一样穿在士兵的常规装备里。通过生物学灵感的设计，这套套装模仿了人走路时腿部肌肉和肌腱的动作，在不限制穿着者运动的情况下，为腿部关节提供微小但精确的辅助。
在目前的原型中，位于下半身的一系列带带包含了低功耗的微处理器和柔性应变传感器网络，分别充当Soft Exosuit的“大脑”和“神经系统”，持续监测各种数据信号，包括衣服的张力，穿着者的位置(例如，走、跑、蹲)等。
“在短短几年的时间里，康纳和他的团队将致力于从根本上改变可穿戴机器人的可能模式，”唐纳德·英格伯(Donald Ingber)说。他是维斯研究所的创始人、哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学的Judah Folkman教授、哈佛海洋工程学院的生物工程教授。“他们的工作是一个很好的例子，展示了将来自多个学科的人聚集在一起，用集中的资源将最初看起来像是一个梦想的东西转化为可以改变人们生活的产品的力量。”
除了在军事上的应用，该团队还将与临床合作伙伴合作，开发一种医疗版本的宇航服，以帮助中风患者，例如，他们经常经历缓慢、低效的步态，可以从步行辅助中获得极大的好处。
合作者包括Wyss研究所和SEAS的教授Robert J. Wood和访问教授Ken Holt，以及波士顿大学健康与康复科学学院的Terry Ellis。到目前为止，这一项目成功的关键是一个由哈佛博士后(Alan Asbeck, Stefano de Rossi, Ignacio Galiana, Yigit Menguc)和研究生(Ye Ding, Jaehyun Bae, Kai Schmidt, Brendan Quinlivan)组成的团队，以及威斯研究所的工作人员(Zivthan Dubrovsky, Robert Dyer, Mike Mogenson, Diana Wagner, Kathleen O’donnell)。总部位于波士顿的新百伦(New Balance)也将成为该项目新阶段的关键合作伙伴，带来纺织和服装创新方面的专业知识。
根据与DARPA的合同条款，Wyss研究所将获得高达290万美元的“勇士网”工作，全部资金取决于能否达到一系列技术里程碑。
-
-
软式机器人能在冰火中生存
-
- 说到软机器人，研究人员终于成功切断了这条线。
来自哈佛大学工程与应用科学学院和威斯生物激励工程研究所的开发人员已经制造出了第一个不系绳的软机器人——一个可以站起来并从设计者身边走开的四足动物。
在查尔斯河工程与应用科学教授罗伯特·伍德的实验室里，一个包括凯文·加洛韦、迈克尔·卡佩尔森、博巴克·莫萨德、罗伯特·谢博德、迈克尔·托利和迈克尔·韦纳在内的研究团队能够扩大早期的软机器人设计，使一个机器人能够在它的背上携带所有需要操作的设备——微压缩机、控制系统和电池。9月1日发表在网上的《软机器人》杂志上的一篇论文描述了这种设计。
“早期版本的软机器人都是拴着的，这在某些应用中运行良好，但我们想做的是挑战人们对机器人必须长什么样的概念，”托利说，他是威斯研究所(Wyss Institute)材料科学和机械工程的副研究员，也是该研究的第一作者。“我们认为，人们选择使用金属和刚性材料制造机器人的原因是，它们更容易建模和控制。这项工作的灵感来自大自然，我们想证明柔软的材料也可以成为机器人的基础。”
与早期的软机器人相比，托利和他的同事们设计的这个系统非常巨大，长度超过半米，背上可以承重7.5磅。
然而，设计过程不仅仅是扩大小型机器人的规模。
托利说:“一旦你开始考虑把实现这项工作所需的基本组件(微压缩机、控制器和电池)安装到一个不系绳的机器人上，你就需要一个能够携带这些部件的设计。”“你需要考虑可以处理更高压力的东西，所以有材料方面的挑战，有设计方面的挑战，还有控制方面的挑战。”
-
-
康纳·j·沃尔什
-
- 康纳是哈佛大学工程与应用科学学院机械与生物医学工程助理教授，也是哈佛大学威斯生物激励工程研究所的核心教员。他是哈佛生物设计实验室(Harvard Biodesign Lab)的创始人，该实验室汇集了来自工程、工业设计、服装、临床和商界的研究人员，开发新技术，并将其转化为工业合作伙伴。他的研究重点是将颠覆性技术应用于机器人设备的开发，以增强和恢复人类的表现。他目前的研究兴趣包括设计、制造和控制可穿戴机器人设备的新方法，以及通过生物力学和生理学研究表征其性能。他领导了一个研究团队，参与DARPA的“勇士网络”项目，开发一种柔软的外服，可以辅助运动，可以为佩戴者提供小程度的帮助。这种外骨骼的功能是基于对人类行走的详细了解，它柔软而柔韧，不像传统的外骨骼使用刚性组件。长期目标是开发完全便携式可穿戴机器人，以帮助残疾人和健全的人，并进一步科学理解人类如何与这些机器互动。他的团队还致力于心脏应用的基于流体的软机器人的建模和设计，并将新兴的中尺度制造方法应用于智能医疗工具的设计，用于疾病的微创诊断和治疗。鉴于他在医疗设备和机器人方面的广泛兴趣，他与Wyss的员工在生物机器人和预期医疗和细胞设备平台上密切合作。此外，他热衷于培养未来的创新者，并建立了哈佛医疗设备创新计划，为学生提供与波士顿和印度等新兴地区的临床医生合作的机会。 Conor received his B.A.I and B.A. degrees in Mechanical and Manufacturing engineering from Trinity College in Dublin, Ireland, in 2003, and M.S. and Ph.D. degrees in Mechanical Engineering from the Massachusetts Institute of Technology in 2006 and 2010. He has been the recipient of over a dozen invention, entrepreneurship, and student mentoring awards including the MIT $100K business plan competition, Whitaker Health Sciences Fund Fellowship, and the MIT Graduate Student Mentor of the Year.
