TESLASUIT：NEMS技術(shù)能再現(xiàn)關(guān)節(jié)扭矩嗎？
德國海德堡大學(xué)的ARIES實驗室給了我們一幅關(guān)于輔助機(jī)器人和交互式exosuit的圖片,。該實驗室的團(tuán)隊正在研究一種所謂的“exosuit”,，它通過人工影響關(guān)節(jié)來幫助人們運動，同時逼真地保存體驗——這當(dāng)然需要一個復(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“肘部實驗”的本質(zhì)以及在此過程中得出的主要結(jié)論,。
進(jìn)入虛擬現(xiàn)實
虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實獲得了巨大而有限的潛力,，因為作為一項規(guī)則,，你不能真正感受到它們，所以你的體驗并不是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和觸摸到虛擬物體,，但它們對于建模和執(zhí)行精細(xì)操作來說過于笨重和笨拙，帶寬差,，工作空間有限這都是這項技術(shù)所顯現(xiàn)出的弊端,。為了實現(xiàn)更高要求的目標(biāo)，ARIES實驗室需要一個解決方案來解決所有這些缺點,，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在與虛擬物體互動時刺激關(guān)節(jié)和提供觸覺假象的有效性,，ARIES實驗室做了以下工作：
開發(fā)了NEMS驅(qū)動的特定受試者觸覺界面，用于在握住和舉起物體的過程中預(yù)計肘部扭矩,，以實時提供預(yù)期的肌肉電刺激,；
通過監(jiān)測生理和運動指標(biāo)，在完全沉浸式虛擬環(huán)境中評估界面,；
通過刺激肱二頭肌和肱三頭肌,，模擬手臂上虛擬負(fù)載的效果，并在運動學(xué)響應(yīng),、新陳代謝和疲勞感知方面將其與真實負(fù)載和空載條件進(jìn)行比較,。
研究人員使用他們專用的虛擬現(xiàn)實環(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。
實驗中有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)活動范圍和肌肉力量,。??
志愿者在虛擬現(xiàn)實中會經(jīng)歷三個場景，之后用一個數(shù)字化的“幻影”重復(fù)動作和姿勢,。首先,，他們必須舉起并握住一個真實的物體，一個0.5公斤重的小立方體,。在第二部分中,，參與者與虛擬現(xiàn)實中的立方體類似物互動,，接收來自TESLASUIT的觸覺反饋。在最后一個實驗中,，他們只接受來自虛擬場景的視覺反饋,，例如，手臂上沒有負(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
為了安排實驗,，研究人員首先根據(jù)最終測量的力度指定了肱二頭肌和肱三頭肌對不同NMES刺激的反應(yīng)，并對立方體進(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)置并不是針對每個受試者單獨調(diào)整的，而是針對整個小組調(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)這一想法的原因要歸功于之前的等距校準(zhǔn)和TESLASUIT的設(shè)計,，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實驗室基于NMES實時觸覺反饋模型的控制器通過TESLASUIT根據(jù)運動階段（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,。
結(jié)論
通過實驗，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。測量結(jié)果證明,，基于NMES的觸覺反饋可以可靠地模仿提起和握住——以及一般情況下的與實際物體的交互,，而豐富了VR/AR體驗更是在許多領(lǐng)域開辟了新的視野。ARIES實驗室的研究完全符合最近的研究,，這些研究表明NMES是在虛擬場景中提供觸覺反饋的可用技術(shù),。
根據(jù)實驗過程中記錄的運動準(zhǔn)確性運動學(xué)測量來判斷，NEMS刺激不會影響最終的運動學(xué),，運動的準(zhǔn)確性與真實負(fù)載和空載情況下一樣,。同時，TESLASUIT通過NEMS產(chǎn)生的觸覺反饋可以像實際重量一樣再現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的類似扭矩,。
這項研究首次記錄了NMES刺激過程中相對于類似物理負(fù)荷的定量疲勞消耗,。測量的消耗結(jié)果表明,，就代謝努力而言，TESLASUIT提供的觸覺反饋與實際負(fù)載條件相當(dāng),，與手臂在無負(fù)載情況下的表現(xiàn)有顯著差異,。肌肉活動的感覺也是如此。
此外,，根據(jù)ARIES實驗室的統(tǒng)計分析,，NEMS提供了幾乎相同的自然感，就好像用戶與真實而非虛擬的對象進(jìn)行交互一樣,。
總結(jié)一下,。ARIES實驗室的研究事實證明，TESLASUIT和NEMS技術(shù)總體上能夠通過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)實中真實地模擬舉重和其他與物體的交互行為，且具有類似的感覺和生理效果,，就好像該物體是真實的一樣,。研究人員認(rèn)為，像TESLASUIT這樣以NEMS為動力的解決方案可以極大地擴(kuò)展至許多領(lǐng)域：如,，教育,、培訓(xùn)專業(yè)人員（急救人員、消防員,、士兵等危險職業(yè)),、運動、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。
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