双足运动的奇异吸引子模型及其对运动控制的启示

尽管经过数十年的研究,关于人类运动控制机制的许多未知问题依然存在。当前的模型和运动控制理论只能部分地刻画该现象。这可能是下肢康复疗法效果有限的一个主要原因。最近有研究提出,可通过利用作用于质心(CoM)的重力牵引、对吸引子动力学进行建模,在任务空间中规划人类运动。所提模型将CoM的横向轨迹表示为在吸引子流形上传播的谐振子。然而,由踝策略控制的CoM垂直轨迹尚未被准确刻画。研究问题:是否有可能通过引入踝策略的数学模型,将足跟触地和足尖离地策略与CoM运动相协调,从而提高模型精度?我们的解决方案由闭式方程组成,可规划类人的CoM、摆足及踝策略轨迹。我们通过从12名健康受试者在3种自选速度下的动作捕捉轨迹中提取生物力学数据和姿态数据,利用我们的模型生成虚拟受试者,从而对模型进行了测试。我们的虚拟受试者基于所采集数据的平均值。模型输出显示,虚拟受试者的行走轨迹特征与我们的动作捕捉数据一致。此外,数据分析表明,我们的模型像人类一样调节足的支撑相。该模型证明运动可被建模为吸引子动力学,证明了我们的神经系统所学习的非线性映射的存在。它可支持对运动控制的更深入探究,并有望改进运动康复与辅助技术。