外骨骼由马达提供外部动力，并由算法控制。当研究人员根据速度进行优化时，参与者的步行速度平均比他们穿普通鞋和不穿外骨骼时快42%。这项研究的结果发表在4月20日的《科学》杂志上IEEE神经系统与康复工程学报．

斯坦福大学机械工程副教授、该论文的资深作者史蒂夫·柯林斯(Steve Collins)说:“我们希望能通过外骨骼的辅助来提高行走速度，但我们真的很惊讶地发现了如此大的进步。”“40%是巨大的。”

在最初的一组实验中，参与者都是年轻健康的成年人。鉴于他们令人印象深刻的结果，研究人员计划在未来对老年人进行测试，并研究其他改进外骨骼设计的方法。他们还希望最终创造出一种可以在实验室外工作的外骨骼，尽管这个目标还有很长的路要走。

该论文的第一作者、机械工程博士后宋承文(音)表示:“我的研究任务是了解人体运动背后的生物力学和运动控制科学，并将其应用于提高人类在日常生活中的身体表现。”“我认为外骨骼是非常有前途的工具，可以提高身体生活质量。”

循环圈行走

本研究所测试的踝关节外骨骼系统是一个实验模拟器，可以作为试验不同设计的试验台。它有一个固定在小腿上部的框架，并与参与者穿着的一体化跑鞋相连。它被连接到位于行走表面旁边的大型马达上，并拉动一根沿着外骨骼背部延伸的系绳。在一个算法的控制下，系绳将穿着者的脚跟向上拉，帮助他们在蹬离地面时将脚趾指向下方。

在这项研究中，研究人员让10名参与者以五种不同的操作模式行走。他们穿着正常的鞋子走路，不穿外骨骼，不穿外骨骼，在三种不同的模式下穿着外骨骼:优化速度，优化能量使用，以及调整安慰剂模式，使他们走得更慢。在所有的测试中，参与者都在与他们的速度相适应的跑步机上行走。

这种针对速度进行了优化的模式——使步行速度提高了42%——是通过“人在循环”的过程创建的。当用户行走时，一种算法反复调整外骨骼设置，每次调整的目标都是提高用户的速度。找到速度优化的操作模式，大约需要150轮调整，每人2小时。

除了大大提高步行速度外，速度优化模式还减少了能源消耗，每走一米大约减少2%。然而，这一结果在人与人之间差异很大，这在一定程度上是意料之中的，因为这不是外骨骼模式的故意特征。

宋说:“这项研究的目的是专门回答关于增加步行速度的科学问题。”“我们不太关心其他性能指标，比如舒适度或能量。然而，10名参与者中有7人不仅走得更快，而且消耗的能量也更少，这确实表明了外骨骼在有效帮助人们方面的潜力。”

专门针对能源使用进行优化的设置借鉴了之前的实验。在目前的研究中，这种模式比速度优化设置减少了更多的能源使用，但并没有提高速度。正如预期的那样，安慰剂模式既减慢了参与者的速度，又增加了他们的能量消耗。

更好，更快，更强

现在研究人员已经获得了如此重要的速度辅助，他们计划将未来版本的脚踝外骨骼模拟器的重点放在减少用户的能量消耗上，同时也更加舒适。

考虑到老年人，柯林斯和他的实验室想知道未来的设计是否可以减轻关节重量引起的疼痛或改善平衡。他们计划对老年人进行类似的步行测试，并希望这些测试也能提供令人鼓舞的结果。

柯林斯说:“速度提高40%比年轻人和老年人之间的差异还要大。”“所以，像这样的设备不仅可以恢复，还可以提高老年人的自主选择的行走速度，这是我们接下来很高兴测试的东西。”