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。

為了創建并探索神經肌肉電刺激（NEMS）技術是否可以幫助精確地再現關節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”的本質以及在此過程中得出的主要結論。

進入虛擬現實

虛擬和增強現實獲得了巨大而有限的潛力，因為作為一項規則，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所顯現出的弊端。為了實現更高要求的目標，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。

本質和方法論

為了了解NEMS在與虛擬物體互動時刺激關節和提供觸覺假象的有效性，ARIES實驗室做了以下工作：

開發了NEMS驅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；

通過監測生理和運動指標，在完全沉浸式虛擬環境中評估界面；

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實環境，該環境建立在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。沒有人有神經疾病的記錄，所有受試者都表現出正常的關節活動范圍和肌肉力量。??

志愿者在虛擬現實中會經歷三個場景，之后用一個數字化的“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。

調整設備和虛擬環境可能是最微妙的部分

為了安排實驗，研究人員首先根據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反饋在內的設置，這些設置并不是針對每個受試者單獨調整的，而是針對整個小組調整的，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，能夠實現這一想法的原因要歸功于之前的等距校準和TESLASUIT的設計，與傳統的電極系統相比，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。

結論

通過實驗，從記錄的結果中得出的主要結論是，NEMS，尤其是使用TESLASUIT再現關節扭矩是可行的。測量結果證明，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。

根據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產生的觸覺反饋可以像實際重量一樣再現肘關節的類似扭矩。

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有顯著差異。肌肉活動的感覺也是如此。

此外，根據ARIES實驗室的統計分析，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。

總結一下。ARIES實驗室的研究事實證明，TESLASUIT和NEMS技術總體上能夠通過肌肉電刺激有效而逼真地再現肘部（顯然，不僅僅是肘部）的關節扭矩。它支持在虛擬現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、培訓專業人員（急救人員、消防員、士兵等危險職業)、運動、游戲、康復和各種遠程操作，甚至遠程手術等領域。