老年人和年輕人簡單模型中的腳踝外骨骼可能會妨礙站立平衡

Core Concepts

腳踝外骨骼可能會在某些情況下增強老年人的站立平衡,但在其他情況下會降低平衡能力。這需要進一步驗證現有的控制策略。

Abstract

本研究旨在描述腳踝外骨骼對站立平衡的影響。研究使用簡單的年齡和性別特定模型,反映了人體腳踝力矩產生能力的差異。隨著年齡的增長,最大力矩(MT)和最大力矩發展率(MRTD)都會降低。對於每個模型,研究計算了可穩定區域(SR),即從中可以恢復到靜止站立位置而不需要踏步的所有重心位置和速度。研究發現,使用標準控制策略的腳踝外骨骼輔助可以增強低速情況下的可行穩定性,但在某些高速情況下會降低穩定性。對於有年齡相關缺陷的個體,存在權衡。外骨骼可以增強低重心速度下的穩定性,但在某些高速條件下會降低穩定性。研究結果表明,必須在老年人身上實驗驗證公認的控制策略。

Stats

年輕女性(YF)最大力矩(MT)為28 Nm(背屈)和130 Nm(蹠屈),最大力矩發展率(MRTD)為219 Nm/s(背屈)和608 Nm/s(蹠屈)。
老年女性(OF)最大力矩(MT)為22 Nm(背屈)和88 Nm(蹠屈),最大力矩發展率(MRTD)為148 Nm/s(背屈)和389 Nm/s(蹠屈)。
弱老年女性(wOF)最大力矩(MT)為21 Nm(背屈)和78 Nm(蹠屈),最大力矩發展率(MRTD)為130 Nm/s(背屈)和303 Nm/s(蹠屈)。

Quotes

"腳踝外骨骼可能會在某些情況下增強老年人的站立平衡,但在其他情況下會降低平衡能力。"
"對於有年齡相關缺陷的個體,存在權衡。外骨骼可以增強低重心速度下的穩定性,但在某些高速條件下會降低穩定性。"

Key Insights Distilled From

Ankle Exoskeletons May Hinder Standing Balance in Simple Models of Older and Younger Adults

by Daphna Raz, ... at arxiv.org 10-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.05418.pdf

Deeper Inquiries

如何設計腳踝外骨骼控制策略,以最大化老年人在各種情況下的站立平衡能力?

設計腳踝外骨骼的控制策略以最大化老年人的站立平衡能力，需要考慮多個因素。首先，控制策略應該根據老年人的生理特徵進行調整，包括最大力矩（MT）和最大力矩發展速率（MRTD）的減少。可以採用重力補償（GC）控制策略，這種策略能夠在靜態站立時提供必要的推力，幫助老年人抵抗重力的影響。此外，使用比例-導數（PD）控制器可以在動態情況下提供額外的阻尼，幫助穩定身體的運動。
其次，控制策略應該考慮到不同的擾動情況，例如在面對小到中等的擾動時，外骨骼應能夠快速調整輸出以增強站立穩定性。這可以通過實施基於狀態反饋的控制來實現，這樣外骨骼可以根據使用者的當前姿勢和運動狀態即時調整其輸出。
最後，應進行實驗驗證，以確保這些控制策略在實際應用中能夠有效提升老年人的站立平衡能力。這包括在不同的環境和情況下進行測試，以確保外骨骼的控制策略能夠適應多變的需求。

除了腳踝力矩,其他哪些生理因素可能影響老年人使用腳踝外骨骼的站立平衡?

除了腳踝力矩外，其他生理因素也可能顯著影響老年人在使用腳踝外骨骼時的站立平衡能力。首先，肌肉力量的減少是老年人常見的生理變化，這會影響他們的平衡能力。特別是下肢肌肉的力量不足，可能導致在使用外骨骼時無法有效地協調動作。
其次，感覺系統的退化，如視覺、前庭和本體感覺的減弱，也會影響老年人的平衡能力。這些感覺系統對於感知身體位置和運動至關重要，當這些系統的功能下降時，老年人可能無法正確地調整其姿勢以維持平衡。
此外，神經系統的變化，如反應時間的延遲和運動控制的減弱，也會影響老年人在使用外骨骼時的平衡能力。這些因素可能導致他們在面對突發擾動時無法及時做出反應，從而增加跌倒的風險。

腳踝外骨骼對站立平衡的影響是否也適用於其他日常活動,如步行和爬樓梯?

腳踝外骨骼對站立平衡的影響確實也適用於其他日常活動，如步行和爬樓梯。研究顯示，腳踝外骨骼在動態活動中能夠提供額外的推力，幫助老年人克服因肌肉力量減少而導致的運動困難。在步行時，外骨骼可以通過提供推進力來減少步行的能量消耗，從而提高行走的效率和穩定性。
在爬樓梯的情況下，腳踝外骨骼同樣可以幫助老年人克服重力的影響，提供必要的支撐和推力，從而減少跌倒的風險。然而，這些外骨骼的設計和控制策略需要針對不同的活動進行調整，以確保在各種情況下都能有效地增強穩定性和安全性。因此，對於日常活動的影響，進一步的研究和實驗驗證是必要的，以確保外骨骼的有效性和安全性。