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德國(guó)海德堡大學(xué)的ARIES實(shí)驗(yàn)室給了我們一幅關(guān)于輔助機(jī)器人和交互式exosuit的圖片。該實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)正在研究一種所謂的“exosuit”，它通過(guò)人工影響關(guān)節(jié)來(lái)幫助人們運(yùn)動(dòng)，同時(shí)逼真地保存體驗(yàn)——這當(dāng)然需要一個(gè)復(fù)雜的生物力學(xué)系統(tǒng)。

為了創(chuàng)建并探索神經(jīng)肌肉電刺激（NEMS）技術(shù)是否可以幫助精確地再現(xiàn)關(guān)節(jié)扭矩以及伴隨的生理反應(yīng)，如疲勞和代謝成果，科學(xué)家們使用TESLASUIT進(jìn)行了研究。而他們的首選落在了手肘上。

在本文中，我們將介紹“肘部實(shí)驗(yàn)”的本質(zhì)以及在此過(guò)程中得出的主要結(jié)論。

進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)獲得了巨大而有限的潛力，因?yàn)樽鳛橐豁?xiàng)規(guī)則，你不能真正感受到它們，所以你的體驗(yàn)并不是100%沉浸式的。如今先進(jìn)的“經(jīng)典”機(jī)器人套裝讓你可以感覺(jué)和觸摸到虛擬物體，但它們對(duì)于建模和執(zhí)行精細(xì)操作來(lái)說(shuō)過(guò)于笨重和笨拙，帶寬差，工作空間有限這都是這項(xiàng)技術(shù)所顯現(xiàn)出的弊端。為了實(shí)現(xiàn)更高要求的目標(biāo)，ARIES實(shí)驗(yàn)室需要一個(gè)解決方案來(lái)解決所有這些缺點(diǎn)，于是他們找到了TESLASUIT——一種輕便、靈活且觸感良好的穿戴式設(shè)備，TESLASUIT還采用了NEMS技術(shù)。

本質(zhì)和方法論

為了了解NEMS在與虛擬物體互動(dòng)時(shí)刺激關(guān)節(jié)和提供觸覺(jué)假象的有效性，ARIES實(shí)驗(yàn)室做了以下工作：

開(kāi)發(fā)了NEMS驅(qū)動(dòng)的特定受試者觸覺(jué)界面，用于在握住和舉起物體的過(guò)程中預(yù)計(jì)肘部扭矩，以實(shí)時(shí)提供預(yù)期的肌肉電刺激；

通過(guò)監(jiān)測(cè)生理和運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，在完全沉浸式虛擬環(huán)境中評(píng)估界面；

通過(guò)刺激肱二頭肌和肱三頭肌，模擬手臂上虛擬負(fù)載的效果，并在運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)、新陳代謝和疲勞感知方面將其與真實(shí)負(fù)載和空載條件進(jìn)行比較。

研究人員使用他們專(zhuān)用的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，該環(huán)境建立在Unity引擎上，以TESLASUIT、Oculus Rift S 3D visor和COSMED K5代謝消耗裝置作為硬件支持。

實(shí)驗(yàn)中有12名參與者——10名女性和2名男性，年齡為27.4±3.8歲，身體健康，右撇子，身高（165.2±6.2厘米）和體重（62.25±7.9千克）正常。沒(méi)有人有神經(jīng)疾病的記錄，所有受試者都表現(xiàn)出正常的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和肌肉力量。??

志愿者在虛擬現(xiàn)實(shí)中會(huì)經(jīng)歷三個(gè)場(chǎng)景，之后用一個(gè)數(shù)字化的“幻影”重復(fù)動(dòng)作和姿勢(shì)。首先，他們必須舉起并握住一個(gè)真實(shí)的物體，一個(gè)0.5公斤重的小立方體。在第二部分中，參與者與虛擬現(xiàn)實(shí)中的立方體類(lèi)似物互動(dòng)，接收來(lái)自TESLASUIT的觸覺(jué)反饋。在最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們只接受來(lái)自虛擬場(chǎng)景的視覺(jué)反饋，例如，手臂上沒(méi)有負(fù)載。每種情況持續(xù)4分鐘，為了排除疲勞可能導(dǎo)致的任何扭曲，受試者可在場(chǎng)景之間休息。

調(diào)整設(shè)備和虛擬環(huán)境可能是最微妙的部分

為了安排實(shí)驗(yàn)，研究人員首先根據(jù)最終測(cè)量的力度指定了肱二頭肌和肱三頭肌對(duì)不同NMES刺激的反應(yīng)，并對(duì)立方體進(jìn)行了參數(shù)化（尺寸、重量、密度），以便在虛擬空間中復(fù)制它。包括NMES反饋在內(nèi)的設(shè)置，這些設(shè)置并不是針對(duì)每個(gè)受試者單獨(dú)調(diào)整的，而是針對(duì)整個(gè)小組調(diào)整的，這樣做的目的是為了保持同樣的效果。研究人員認(rèn)為這是可能的，能夠?qū)崿F(xiàn)這一想法的原因要?dú)w功于之前的等距校準(zhǔn)和TESLASUIT的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的電極系統(tǒng)相比，TESLASUIT并不需要在身體上精確的定位。

ARIES實(shí)驗(yàn)室基于NMES實(shí)時(shí)觸覺(jué)反饋模型的控制器通過(guò)TESLASUIT根據(jù)運(yùn)動(dòng)階段（伸展或彎曲）向二頭肌和三頭肌傳遞預(yù)期的力量，從而誘導(dǎo)肘部扭矩和握住并舉起立方體的局部感覺(jué)。

結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，從記錄的結(jié)果中得出的主要結(jié)論是，NEMS，尤其是使用TESLASUIT再現(xiàn)關(guān)節(jié)扭矩是可行的。測(cè)量結(jié)果證明，基于NMES的觸覺(jué)反饋可以可靠地模仿提起和握住——以及一般情況下的與實(shí)際物體的交互，而豐富了VR/AR體驗(yàn)更是在許多領(lǐng)域開(kāi)辟了新的視野。ARIES實(shí)驗(yàn)室的研究完全符合最近的研究，這些研究表明NMES是在虛擬場(chǎng)景中提供觸覺(jué)反饋的可用技術(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量來(lái)判斷，NEMS刺激不會(huì)影響最終的運(yùn)動(dòng)學(xué)，運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性與真實(shí)負(fù)載和空載情況下一樣。同時(shí)，TESLASUIT通過(guò)NEMS產(chǎn)生的觸覺(jué)反饋可以像實(shí)際重量一樣再現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的類(lèi)似扭矩。

這項(xiàng)研究首次記錄了NMES刺激過(guò)程中相對(duì)于類(lèi)似物理負(fù)荷的定量疲勞消耗。測(cè)量的消耗結(jié)果表明，就代謝努力而言，TESLASUIT提供的觸覺(jué)反饋與實(shí)際負(fù)載條件相當(dāng)，與手臂在無(wú)負(fù)載情況下的表現(xiàn)有顯著差異。肌肉活動(dòng)的感覺(jué)也是如此。

此外，根據(jù)ARIES實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)分析，NEMS提供了幾乎相同的自然感，就好像用戶(hù)與真實(shí)而非虛擬的對(duì)象進(jìn)行交互一樣。

總結(jié)一下。ARIES實(shí)驗(yàn)室的研究事實(shí)證明，TESLASUIT和NEMS技術(shù)總體上能夠通過(guò)肌肉電刺激有效而逼真地再現(xiàn)肘部（顯然，不僅僅是肘部）的關(guān)節(jié)扭矩。它支持在虛擬現(xiàn)實(shí)中真實(shí)地模擬舉重和其他與物體的交互行為，且具有類(lèi)似的感覺(jué)和生理效果，就好像該物體是真實(shí)的一樣。研究人員認(rèn)為，像TESLASUIT這樣以NEMS為動(dòng)力的解決方案可以極大地?cái)U(kuò)展至許多領(lǐng)域：如，教育、培訓(xùn)專(zhuān)業(yè)人員（急救人員、消防員、士兵等危險(xiǎn)職業(yè))、運(yùn)動(dòng)、游戲、康復(fù)和各種遠(yuǎn)程操作，甚至遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域。