德國海德堡大學的ARIES實驗室給了我們一幅關于輔助機器人和交互式exosuit的圖片,。該實驗室的團隊正在研究一種所謂的“exosuit”,，它通過人工影響關節(jié)來幫助人們運動，同時逼真地保存體驗——這當然需要一個復雜的生物力學系統(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)關節(jié)扭矩以及伴隨的生理反應,，如疲勞和代謝成果，科學家們使用TESLASUIT進行了研究,。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。

進入虛擬現(xiàn)實

虛擬和增強現(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,。如今先進的“經(jīng)典”機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，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計肘部扭矩,，以實時提供預期的肌肉電刺激,；

通過監(jiān)測生理和運動指標，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,，模擬手臂上虛擬負載的效果，并在運動學響應,、新陳代謝和疲勞感知方面將其與真實負載和空載條件進行比較,。

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,，手臂上沒有負載。每種情況持續(xù)4分鐘,，為了排除疲勞可能導致的任何扭曲,，受試者可在場景之間休息。

調(diào)整設備和虛擬環(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,，并對立方體進行了參數(shù)化（尺寸、重量,、密度）,，以便在虛擬空間中復制它。包括NMES反饋在內(nèi)的設置,，這些設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和TESLASUIT的設計，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期的力量，從而誘導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確性運動學測量來判斷,，NEMS刺激不會影響最終的運動學，運動的準確性與真實負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載條件相當,，與手臂在無負載情況下的表現(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,。研究人員認為，像TESLASUIT這樣以NEMS為動力的解決方案可以極大地擴展至許多領域：如,，教育,、培訓專業(yè)人員（急救人員、消防員,、士兵等危險職業(yè)),、運動、游戲,、康復和各種遠程操作,，甚至遠程手術(shù)等領域。