秋高气爽，我们又开始立下各种减肥或者健身的Flag，正儿八经地制定每天的运动计划……去校园或公园跑步无疑是简单易行又深受广大群众喜爱的运动项目。所谓“工欲善其事，必先利其器”，买一套合身潇洒的运动服，搭配高科技跑鞋和高保真运动耳机，已经成为大家立志跑步的默认第一步。

小希相信，很多像我一样运动计划没有开始就已经结束的肥宅，只不过是少一套满意的运动服而已。这不，前一段时间Science 封面新上架了一套“运动服”，款式极简，满满硬核科幻风，不但看起来很吸引眼球，这套柔软轻便的“运动服”还能帮助人们减少跑步及行走时的代谢消耗，使跑步和走路都更加轻松，好像已经减掉了十几斤肉一样。有图有真相。

图片来源：Science

哈佛大学Conor J. Walsh和内布拉斯加大学奥马哈分校Philippe Malcolm领导的团队发明了这套被称为“exosuit”（姑且直译为“外装”）的装置，实际上是一类“可穿戴机器人（wearable robots）”。可穿戴机器人最为人所熟知的形象，莫过于漫威旗下的超级英雄——钢铁侠；而现实世界中可以帮助穿戴者增加负重和行动能力的“外骨骼（exoskeleton）”，也是可穿戴机器人的一种。相比之下，这种exosuit更加柔软和轻便，舒适度更佳。这种便携式exosuit“运动服”，不仅可以有效降低人类走路和跑步时的代谢率，提高运动效率，还很有希望用于那些患有肌肉或神经疾病的患者以及肢体残障人士，帮助他们恢复或者改善运动能力。

图片来源：漫威电影《钢铁侠》

研究的出发点非常简单，人类的行走和跑步具有两种不同的步态，生物力学并不相同。低速运动时，行走的代谢成本更低；而高速运动时，跑步的代谢成本更低。因此不少开发类似可穿戴机器人的研究都把二者分开对待。有研究者曾开发出作用于髋的运动辅助装置，可以使跑步的代谢率降低8%，然而却对行走没有效果，甚至会起到干扰作用 ^[1]。因此本文作者希望开发出一套可兼顾二者的运动辅助装置。

尽管两种运动不同，但涉及到一个共同的部位——髋关节，作者因此把帮助髋关节伸展作为研究的主要方向。他们设计的exosuit主要包含两部分，“腰带”和“短裤”，通过“腰带”上的电池供电给电机在髋关节周围产生拉伸力矩。这样的设计，使得穿戴者的关节不受外部刚性结构的约束，运动自由。

Exosuit运动服的设计。图片来源：Science

Exosuit运动服真人秀。图片来源：Science

除了硬件设计，还要有准确的算法，区分走路和跑步。为了使穿戴者在行走和跑步之间无缝切换，他们使用了一种在线分类算法，该算法根据exosuit上惯性测量单位（IMU）测得的势能波动来判断穿戴者是在行走还是在跑步，并反馈给控制器做出调整。

生物启发的步态分类算法。图片来源：Science

软硬件全部就位，接下来就要检验一下这套“运动服”的实际性能了。6名男性参与者进行了跑步机实验，速度范围为0.5到4.0 m•s^-1，坡度为-10%到+20%的条件下，该算法对走路和跑步的区分准确率为100%。同时，8名男性参与者在室外球场上进行了地面试验，速度和步态逐渐变化。经检验，算法的准确率为99.98%。下面的视频演示了在不同自然环境中，该设备如何在行走和跑步过程中感知特定步态，以快速调整其驱动力。