破解人类如何以不同速度高效行走的神经关键

我们在运动的时候可能不会想到这一点，但我们的神经系统正在指导我们的骨骼、关节、肌肉、肌腱等以不同的速度尽可能高效地运动。在机器人中复制这一过程是出了名的困难。但现在，日本东北大学的研究人员创造了一个模型，使这成为可能，这在很大程度上要归功于一种创新的算法。

　　

我们在走路的时候通常不会想到它，但走路是一项复杂的任务。在我们的神经系统的控制下，我们的骨骼、关节、肌肉、肌腱、韧带和其他结缔组织(即肌肉骨骼系统)必须协调运动，并以不同的速度以高效的方式对意想不到的变化或干扰作出反应。在机器人技术中复制这一点绝非易事。

现在，日本东北大学工程研究生院的一个研究小组利用肌肉骨骼模型复制了类似人类的变速行走，这种模型由反射人类神经系统的反射控制方法控制。这一生物力学和机器人技术的突破为理解人类运动设定了新的基准，为创新机器人技术铺平了道路。

他们的研究细节发表在2024年1月19日的《公共科学图书馆计算生物学》杂志上。

“我们的研究已经解决了复杂的挑战，即复制不同速度的高效行走——这是人类行走机制的基石，”副教授Dai Owaki指出，他是该研究的合著者，还有Shunsuke Koseki和Mitsuhiro Hayashibe教授。“这些见解对于推动理解人类运动、适应和效率的界限至关重要。”

这一成就要归功于一种创新的算法。该算法超越了传统的最小二乘法，并帮助设计了一个神经回路模型，优化了不同行走速度下的能量效率。对这些神经回路的深入分析，特别是那些控制腿部摆动阶段肌肉的神经回路，揭示了节能步行策略的关键要素。这些发现增强了我们对人类步态及其有效性的复杂神经网络机制的掌握。

Owaki强调，研究中发现的知识将有助于为未来的技术进步奠定基础。“在肌肉骨骼模型中成功模拟变速行走，并结合复杂的神经回路，标志着神经科学、生物力学和机器人技术的关键进步。”它将彻底改变高性能双足机器人、先进假肢和最先进的外骨骼的设计和开发。”

这样的发展可以改善残疾人的行动解决方案，并推进日常生活中使用的机器人技术。

展望未来，Owaki和他的团队希望进一步完善反射控制框架，以重现更大范围的人类行走速度和运动。他们还计划应用这项研究的见解和算法来创造更具适应性和节能的假肢、动力服和两足机器人。这包括将识别的神经回路整合到这些应用程序中，以增强它们的功能和运动的自然性。