外骨骼抛物线飞行：研究人员在失重状态下测试精细运动技能
在太空条件下完成精细动作任务尤其具有挑战性，必须先在地球上进行训练。德国人工智能研究中心 (DFKI) 和杜伊斯堡-埃森大学 (UDE) 的科学家正在研究能够模拟失重状态的机器人外骨骼是否适合宇航训练。该团队有机会参加在法国波尔多举行的第 42 届 DLR 抛物线飞行活动，以比较模拟失重与真实失重的效果。在执行太空任务期间，宇航员经常面临精细动作任务，例如进行维修或实验，而太空失重使这些任务变得更加困难。有针对性地训练这些技能尤为重要，不仅可以提高任务效率，还可以确保宇航员的安全。到目前为止，此类任务只能在地球上的抛物线飞行或穿着水下宇航服进行练习。利用外骨骼进行创新太空训练DFKI 机器人创新中心不来梅和杜伊斯堡-埃森大学 (UDE) 医学工程系统系的科学家正在研究一种替代的、更具成本效益的训练方法。在NoGravEx项目中，他们开发了一种创新方法，借助机器人外骨骼模拟微重力。该技术能够检测和补偿人体手臂的重量，使其感觉像没有重量一样，或者像在月球上一样沉重。研究人员目前正在 GraviMoKo 项目中研究模拟失重与真实失重对人体的影响。通过参加 2024 年 5 月 27 日至 6 月 6 日在法国波尔多举行的第 42 届 DLR 抛物线飞行活动，他们已在该项目上取得了重要里程碑。在抛物线飞行过程中，将使用特殊的上升和下降动作来创造 31 次失重状态，每次约 22 秒。这段时间可供科学团队进行实验。Novespace 的空客 A310 Zero G 飞机没有按计划在三天内飞行三次，而是起飞了四次，因为第一次飞行在仅飞行了 16 次抛物线后就因技术问题而不得不中止。其余的抛物线在第二天完成。实验设置和执行外骨骼实验是机上十一项选定的实验之一，共有六名受试者参与，但为了弥补部分受试者的缺席，提前安排了更多人进行准备。测试对象的任务是在失重状态下用右臂食指击中触摸屏上的目标滑块中心。手臂被披风遮住，以避免视觉运动矫正。实验过程中，记录了受试者手臂的肌肉活动、大脑活动和心率变异性以及他们的运动轨迹。一半的测试对象已经在实验室中用主动外骨骼在模拟失重条件下练习过这项任务，而其他人则没有受过训练或只熟悉测试装置。与地面测试不同，抛物线飞行使用了被动系统。两个相同的测试装置允许每次飞行同时有两名受试者参与。如果受试者感到不舒服，可以配备所有传感器的后备人员介入，否则可以充当操作员和支持者。实验基本按计划进行，只有一名受试者因恶心而不得不被替换。在为期十天的活动结束时，研究人员对结果非常满意。项目负责人、杜伊斯堡-埃森大学/DFKI 的 Elsa Kirchner 教授表示：“我们在首次抛物线飞行活动中表现非常出色，收集了我们计划收集的所有数据。尽管付出了努力，而且睡眠不足，但团队合作得非常好。现在是时候分析非常广泛的数据了。”数据分析和潜在应用通过分析数据，研究人员希望确定在模拟失重环境下使用外骨骼进行训练是否能够将学到的技能转移到真正的失重环境中，并提高宇航员的能力。这可以帮助宇航员为未来太空任务的挑战做好准备，并优化他们在太空极端条件下的表现。除了太空旅行，康复等地面应用也可以从这项新技术中受益。NoGravEx 和 GraviMoKo 项目中使用的外骨骼最初是在 DFKI 为康复治疗而开发的。由于可以进行个性化体重补偿，该系统可以为身体残疾的人（例如中风后的人）提供更加个性化的支持。
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