El sistema de exoesqueleto del tobillo aumenta la velocidad de marcha autoseleccionada



No poder caminar rápidamente puede ser frustrante y problemático, pero es un problema común, especialmente a medida que las personas envejecen. Al notar la omnipresencia de caminar más lento de lo deseado, los ingenieros de la Universidad de Stanford han probado qué tan bien un sistema prototipo de exoesqueleto que han desarrollado, que se adhiere alrededor de la espinilla y en una zapatilla para correr, aumentó la velocidad de caminata autoseleccionada de las personas en un experimento. configuración.

El exoesqueleto es alimentado externamente por motores y controlado por un algoritmo. Cuando los investigadores lo optimizaron para la velocidad, los participantes caminaron, en promedio, un 42 por ciento más rápido que cuando usaban zapatos normales y sin exoesqueleto. Los resultados de este estudio se publicaron el 20 de abril en Transacciones IEEE sobre sistemas neuronales e ingeniería de rehabilitación.

Esperábamos poder aumentar la velocidad al caminar con la ayuda del exoesqueleto, pero nos sorprendió mucho encontrar una mejora tan grande. El cuarenta por ciento es enorme “.

Steve Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica en Stanford y autor principal del artículo

Para este conjunto inicial de experimentos, los participantes eran adultos jóvenes y sanos. Dados sus impresionantes resultados, los investigadores planean realizar pruebas futuras con adultos mayores y buscar otras formas de mejorar el diseño del exoesqueleto. También esperan crear eventualmente un exoesqueleto que pueda funcionar fuera del laboratorio, aunque ese objetivo aún está lejos.

“Mi misión de investigación es comprender la ciencia de la biomecánica y el control motor detrás de la locomoción humana y aplicarla para mejorar el rendimiento físico de los humanos en la vida diaria”, dijo Seungmoon Song, becario postdoctoral en ingeniería mecánica y autor principal del artículo. “Creo que los exoesqueletos son herramientas muy prometedoras que podrían lograr esa mejora en la calidad de vida física”.

Caminando en el bucle

El sistema de exoesqueleto de tobillo probado en esta investigación es un emulador experimental que sirve como banco de pruebas para probar diferentes diseños. Tiene un marco que se abrocha alrededor de la parte superior de la espinilla y en una zapatilla para correr integrada que usa el participante. Está conectado a grandes motores que se encuentran al lado de la superficie para caminar y tiran de una correa que corre a lo largo de la parte posterior del exoesqueleto. Controlada por un algoritmo, la correa tira del talón del usuario hacia arriba, ayudándolo a apuntar con la punta del pie hacia abajo mientras se levanta del suelo.

Para este estudio, los investigadores hicieron que 10 participantes caminaran con cinco modos diferentes de operación. Caminaron con zapatos normales sin el exoesqueleto, con el exoesqueleto apagado y con el exoesqueleto encendido con tres modos diferentes: optimizado para la velocidad, optimizado para el uso de energía y un modo placebo ajustado para hacerlos caminar más lentamente. En todas las pruebas, los participantes caminaron en una cinta que se adapta a su velocidad.

El modo que se optimizó para la velocidad, que resultó en un aumento del 42 por ciento en el ritmo al caminar, se creó a través de un proceso humano en el circuito. Un algoritmo ajustó repetidamente la configuración del exoesqueleto mientras el usuario caminaba, con el objetivo de mejorar la velocidad del usuario con cada ajuste. Encontrar el modo de operación con velocidad optimizada tomó alrededor de 150 rondas de ajuste y dos horas por persona.

Además de aumentar considerablemente la velocidad al caminar, el modo de velocidad optimizada también redujo el uso de energía, en aproximadamente un 2 por ciento por metro recorrido. Sin embargo, ese resultado varió ampliamente de persona a persona, lo que es algo esperado, dado que no fue una característica intencional de ese modo de exoesqueleto.

“El estudio fue diseñado para responder específicamente a la pregunta científica sobre el aumento de la velocidad al caminar”, dijo Song. “No nos importaron demasiado las otras medidas de rendimiento, como la comodidad o la energía. Sin embargo, siete de cada 10 participantes no solo caminaron más rápido sino que consumieron menos energía, lo que realmente muestra cuánto potencial tienen los exoesqueletos para ayudar a las personas de manera eficiente. . “

Los ajustes que se optimizaron específicamente para el uso de energía se tomaron prestados de un experimento anterior. En el estudio actual, este modo disminuyó el uso de energía más que la configuración de velocidad optimizada, pero no aumentó tanto la velocidad. Como estaba previsto, el modo placebo ralentizó a los participantes y aumentó su uso de energía.

Mejor mas rapido mas fuerte

Ahora que los investigadores han logrado una asistencia de velocidad tan significativa, planean enfocar las versiones futuras del emulador de exoesqueleto de tobillo en reducir el uso de energía de manera consistente entre los usuarios, al mismo tiempo que se sienten más cómodos.

Al considerar específicamente a los adultos mayores, Collins y su laboratorio se preguntan si los diseños futuros podrían reducir el dolor causado por el peso en las articulaciones o mejorar el equilibrio. Planean realizar pruebas de caminata similares con adultos mayores y esperan que también proporcionen resultados alentadores.

“Un aumento del 40 por ciento en la velocidad es más que la diferencia entre los adultos más jóvenes y los adultos mayores”, dijo Collins. “Por lo tanto, es posible que dispositivos como este no solo restauren, sino que mejoren la velocidad de marcha autoseleccionada para personas mayores, y eso es algo que nos entusiasma probar a continuación”.

Fuente:

Referencia de la revista:

Song, S & Collins, SH (2021) Optimización de la asistencia del exoesqueleto para una caminata autoseleccionada más rápida. Transacciones IEEE sobre sistemas neuronales e ingeniería de rehabilitación. doi.org/10.1109/TNSRE.2021.3074154.

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