人类身体的平衡是一种复杂的状态，即使是最先进的机器人和可穿戴设备（如机器人外骨骼），也难以复制我们的大脑和身体如何协同工作以保持直立。研究人员进行的一项新研究为解决身体平衡问题迈出了第一步。

在2月15日发表在《科学机器人》杂志上的一篇论文表明，脚踝外骨骼必须比我们的身体反应更快，才能改善平衡。当外骨骼延迟施加力量，直到腿部和脚踝的肌肉同时被激活以恢复平衡时，测试人员并没有更快地恢复平衡。

令研究人员惊讶的是，外骨骼的生理延迟辅助完全没有作用。研究人员通过突然移动平台，导致受试者失去平衡并恢复。他们测试了三种情况：没有外骨骼辅助、辅助延迟到与身体的自然反应一致和辅助速度快于生理反应。测试报告说，在身体自然反应之前提供脚踝外骨骼扭矩，使受试者能够承受9%的扰动，而无需采取任何步骤；延迟扭矩没有显示出任何改善。

很多假肢或外骨骼都是由人体佩戴者发出的生理信号驱动的，无论是肌肉活动还是大脑活动。每当测量脚踝周围的肌肉时，打开exo。这里的意思是，这不会对平衡起作用。这些发现对这类机器人工具“有点颠覆”。

主要的控制方法是窃取人类的反应，然后再进行控制。研究表明，它的作用并不大，至少对站立平衡来说是不够的。

由于无法及时地跟随身体自身的反应来驱动外骨骼的激活，因此很难制造出一种能够帮助人们在现实世界中恢复平衡的设备。但它也为研究人员提供了有利的途径，包括使用机器学习方法来检测和响应扰动。

身体对失去平衡的反应只需要150毫秒左右，因此，如果要克服生理反应，脚踝外骨骼有一个非常小的激活窗口。在实验中，研究人员使用了类似于智能手机中的加速度计来跟踪脚在扰动和启动exo靴子时的加速度。

一个融入了某种机器学习的智能控制器最终可能会很有前途。但是，有趣的是，为这些算法提供数据可能需要来自远远超出脚踝的地方。

外骨骼的人工快速辅助破坏了脚踝的初始运动，无论靴子是否激活，肌肉活动都是一致的。事实上，脚踝处的局部信号会导致外骨骼向错误的方向提供扭矩，这会更不稳定。

研究人员表示，这支持了这样一种观点，即肌肉不仅由脚踝处的局部感觉信息驱动，而且由全身的信息驱动。可以追溯到近50年前的研究表明，全身生理信息比仅从脚踝和腿部获得的局部信息更能预测人体的平衡纠正行为。但这些研究并没有以这种方式进行测试。

人的重心（基本上是整个身体的净运动）驱动着脚踝肌肉需要做什么。exo可以实际演示当局部信号与全身信号冲突时使用哪种信号。这项研究真正特别的一点是，研究人员能够就外骨骼和人类之间的相互作用提出一个非常具体的问题，并进一步了解外骨骼如何帮助或干扰人类的生理反应。这是一种非常干净的方式，可以为改善平衡提供见解，这可能会成为外骨骼中一个非常庞大的子领域。

为了进一步加深他们的理解，研究人员使用了运动捕捉技术，并将测试者与肌电图（EMG）和超声波传感器连接起来，这样他们不仅可以详细追踪脚踝和外靴是如何协同工作或相互对抗的，还可以追踪肌肉是如何发射信号以及其强度。

这不仅仅是用机器人的力量袭击人们，看看会发生什么。我们也在解释为什么以及皮肤下会发生什么事情。这对工程设计来说是一条重要的前进方向。这也是一个信号，表明生理学家和工程师需要相互合作。