在菲茨帕特里克工程学院（Fitzpatrick Hall of Engineering）的地下室里，劳拉·莱特（Laura Light）抓住一台停了下来的跑步机的栏杆，用实验性的脚和脚踝假肢踮起脚尖，露出了令人兴奋的微笑。
航空航天与机械工程助理教授帕特里克·温辛（Patrick Wensing）专门九博体育研究机器人和机动假肢，他对自己的两名博士生竖起了大拇指。David Kelly专注于光的平衡和安全，而Ryan Posh则观察着他的电脑从附着在光的左小腿肌肉上的几个电子传感器接收到的数据。
“这太不可思议了，因为自从我的脚在小时候被截肢以来，我一直无法做到这一点。那真是一次很酷的经历，是我小时候一直想做的事情。“劳拉光
传感器读取来自Light肌肉的抽搐电信号，让她第一次完全控制电动脚踝装置的向前滚动，并最终用脚趾站立。
“我觉得自己像个小孩，”28岁的莱特说。“这太不可思议了，因为自从我的脚在小时候被截肢以来，我一直无法做到这一点。这是一次非常酷的经历，是我小时候一直想做的事情。”
作为圣母大学工程学院机器人、优化和辅助移动（ROAM）实验室的主任，温辛从事机器人、外骨骼和动力下肢假肢的九博体育研究。目前，成千上万的下肢截肢患者的假肢都有运动辅助功能，而温辛的团队正在改进人机界面，这样用户就可以控制脚踝的运动——在提高舒适度和安全性的同时，给他们一种至关重要的“意志感”。
ROAM团队用Light测试了三种不同的控制机制。第一个是“意志”，它基于肌电传感器，允许Light控制脚踝的翻转运动。第二种是自主的，基于预先设定的角度自动增加脚踝的旋转，就像一些已经可用的电动假肢一样。第三种控制器是该团队的最新实验，它结合了前两种控制器的优点。
Light带着每个系统在跑步机上走两分钟，而Kelly则录下她的步态，以评估它看起来有多自然。Posh收集了肌电传感器对Light肌肉信号的接收和响应情况的数据。
“这比我们想象的要好，”温辛在实验结束后说。“市面上有很多假肢的肌电解决方案。但是对于腿来说就少了，因为你必须避免摔倒以确保安全。”
痛苦的抉择
Light出生在田纳西州的孟菲斯，患有腓骨偏瘫，即小腿的小骨太短或缺失。她的父母面临着艰难的选择，要么截肢，要么通过一系列痛苦和不确定的手术来挽救它。在与医生和做出两种选择的家庭交谈后，他们选择在14个月大时截肢。
“18个月大的时候，我就装上了义肢，”莱特说。“我完全不知道有什么不同。”
在她很小的时候，她的家人搬到了印第安纳州戈申附近，她的父母鼓励她尝试任何她想做的事情。她玩了几种运动，最喜欢排球。在实验室里，她说她的晒伤来自最近的一场沙滩排球比赛，她希望参加2028年残奥会。
光是埃尔克哈特县的调度员。她从新闻报道中得知了温辛的九博体育研究，并通过电子邮件联系了她。她说，她很高兴自愿参加测试，尽管现在庞大的技术缩小并进入商业市场可能需要数年时间。
Light说：“我现在穿的这只脚很好，但就自然翻转而言，它确实有一些限制，因为脚踝基本上是固定的。”“我认为这只脚会很大，因为它会适应我所处的地形。我可以做一些像徒步旅行这样的事情，而且做起来更自然，而且做起来不那么紧张。”
Light在测试中还发现了其他优点，包括踮起脚尖站立、向后行走，以及坐着时可以将脚一直旋转到地板上。
她说：“对我来说，这意义重大，因为我从来没有坐下来过。”“它总是占据很大的空间，当你在一个狭小的空间里时，这是令人沮丧的。此外，拥有自然的步态可以挽救我的臀部，最终挽救我的下背部。”
机器人风扇
温辛在克利夫兰东部长大，高中时就接触到了机器人技术。“我在九年级的时候参加了我的第一个机器人比赛，这是非凡的，”他说。“正是在那里，人们的兴趣被激发出来，并真正从那里发展起来。”
“我们希望人们佩戴的这些设备能随着时间的推移变得更好，人们也能更好地使用它们，我们正在努力理清如何加速这一进程。”——帕特里克·文辛
他在俄亥俄州立大学学习电气和计算机工程，并在那里继续攻读博士学位。他曾在法国短暂地九博体育研究过人形机器人，测试他的论文理论，并在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）获得博士后职位，九博体育研究机器人的自主性和可操作性。
温辛于2017年来到圣母大学，因为他说这所大学和同事们支持他的九博体育研究愿景。他过去也曾与人类生物力学专家吉姆·施米德尔（Jim Schmiedeler）合作过，后者也从俄勒冈州立大学来到南本德，是目前这项九博体育研究的合作者。
“他的工作与我的核心机器人工作非常吻合，所以我们有很大的协同作用，”温辛说。“我看到了与心理学或计算神经科学领域的人合作的其他机会。我们希望人们佩戴的这些设备能随着时间的推移变得更好，人们也能更好地使用它们，我们正在努力理清如何加速这一进程。”
除了下肢假肢装置，温辛的ROAM实验室还九博体育研究四足机器人和下肢外骨骼系统。他的外骨骼工作旨在使用更传统的传感器，使脊髓或中风受伤的人能够改善对步行步态的控制。
印第安纳大学医学院（Indiana University School of Medicine）伤口愈合专家钱丹·森（Chandan Sen）博士说，他曾与施米德尔和文辛在国防部的项目上合作过。
“我对这种潜力感到非常兴奋，”参议员说，“它可能在确保截肢者残肢的长期健康方面具有变革性。这对这些患者的整体健康至关重要。”
实验室测试
ROAM团队在2021年与Light会面，但他们必须获得人体测试对象的安全许可。今年5月，莱特作为第一个截肢者参观了地下室实验室，测试了温辛和Posh之前自己试用过的电动假肢。
Transcend Orthotics and Prosthetics的认证义肢专家亚当·沃（Adam Waugh）加入了圣母大学的九博体育研究人员，为他们提供建议和帮助。他最重要的职责是拆开并重建莱特目前的假肢，这样她就可以在不影响安全的情况下尝试实验性的假肢。
“我们很高兴有机会为这项九博体育研究提供支持和帮助，”沃说。“每一个从任何数量的复杂设备中受益的病人都有像Ryan [Posh]这样的人，感谢他们对假肢行业技术进步的奉献。”
“虽然这项九博体育研究仍处于早期阶段，但我相信它将在未来改善许多人的生活。“亚当沃
沃经常与截肢者一起工作，看到新的和改进的设备如何丰富他们的生活。他说，允许患者更积极地移动自己的脚将为新的活动打开大门，并有助于缓解疲劳。莱特表示同意，并指出她多年来由于过度补偿而撕裂了另一条腿的膝盖。
Waugh说：“这可能会增加腿部的血流量，减少使用时的体积波动，并改善听觉侧肢体的整体健康。”“虽然这项九博体育研究仍处于早期阶段，但我相信它将在未来改善许多人的生活。”
Posh首先将Light的鞋子放在实验假肢上，并将微控制器粘在假肢的插座上。他在她的残小腿上安装了电极传感器，以记录她不同部位的肌肉收缩情况。
第一步是校准，测试电脑是否能捕捉到她肌肉伸展和弯曲的信号。这些信号并没有像希望的那样显示在视频屏幕上，但计算机确实以每秒250个读数的速度记录了它们。
当这个装置根据她的肌肉控制时，它迅速弹到合适的位置。Light喘着气说，感觉“就像脚里有一只青蛙”。她很快就想出了如何调整腿的位置，以尽量减少脚跳。
“这太奇怪了，”她惊呼道。“我不知道如何把脚送到我想去的地方。”
Posh和Wensing向Light保证，学习如何发送肌肉信号来控制运动是需要时间的，Light从来没有理由去尝试。
“我不习惯锻炼肌肉；我得把它建起来，”她说。“我敢打赌，最近截肢的人会知道如何做得更容易。”
在站立和进行三次行走测试之前，将光钩在安全带上。进行了调整，使脚后跟的电动推力在她走路的正确时刻发生。马达发出一种像花栗鼠吱吱叫的嗡嗡声。
光练习向前和向后滚动脚，踮起脚尖，坐着，它平放在地板上。她说：“我喜欢这个脚踝可以转动。”“我不想回到我原来的脚。”
推进市场
Light知道，暴露在外的电线和实验脚的体积使它不适合全职使用。这种配置使九博体育研究人员可以轻松地对其进行定制。温辛说，他预计随着电池和计算机小型化技术的发展，尺寸会变小，就像现在智能手机的计算能力比原来房间大小的大型机更强一样。
与一位校友讨论了一项潜在的合作，他可以加快将这项技术推向市场的速度。1983年毕业的吉姆·科尔文（Jim Colvin）是俄亥俄州义齿制造商WillowWood的九博体育研究和技术主管，他已经在这个行业工作了30年。
科尔文说，该公司于1907年由一名在火车事故中失去双腿的刹车员创立，他开始用柳木雕刻假肢。科尔文说：“自从我开始工作以来，我看到了很大的进步，当时我们做的一些腿还是木制的。”“但它仍然没有达到天然肢体的功能，所以我们还有很多工作要做。”
“作为一名工程师，应用技术来帮助人们过上更好的生活是非常值得的。——吉姆·科尔文
科尔文说，WillowWood还生产内衬产品，以保护与假肢相连的截肢部位。他说：“这个界面可能会损害肢体组织，因为它不是为这种极端负荷而设计的。”
该公司开发的一款新产品将像温辛使用的那样的肌电传感器嵌入到衬垫中。科尔文说，他已经与温辛讨论了将这项技术与ROAM九博体育研究相结合的建议，以改进进入市场的产品。
科尔文说：“先进的设备更加直观，所以用户感觉它是它们的一部分，可以无缝地工作。”“作为一名工程师，应用技术来帮助人们过上更好的生活是非常值得的。结果是实实在在的。”
