El exosuit suave con múltiples articulaciones se ajusta a usuarios individuales


En el futuro, los soldados, los bomberos y los trabajadores de rescate podrían usar un exosuit suave a base de textiles para ayudarlos a atravesar terrenos difíciles y llegar frescos a sus destinos para que puedan realizar sus tareas respectivas de manera más efectiva. También podrían convertirse en un medio poderoso para mejorar la movilidad y la calidad de vida de las personas que padecen trastornos neurodegenerativos y para los ancianos.

El equipo de Conor Walsh en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de John A. Paulson (SEAS) de Harvard ha estado a la vanguardia del desarrollo de diferentes dispositivos robóticos portátiles que soportan la movilidad mediante la aplicación de fuerzas mecánicas para articulaciones críticas del cuerpo, incluidas las articulaciones del tobillo o la cadera, o en el caso de un exosuit blando de múltiples articulaciones, ambas. Debido a su potencial para aliviar las soldaduras sobrecargadas en el campo, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) financió el exosuit suave como parte de su antiguo programa Web Warrior.

Si bien los investigadores han demostrado que las versiones de laboratorio del exosuit suave pueden proporcionar beneficios claros a los usuarios, permitiéndoles gastar menos energía mientras caminan y corren, sigue existiendo la necesidad de exosuits totalmente portátiles que sean adecuados para su uso en el mundo real.

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Ahora, en un estudio reportado en las actas de la Conferencia Internacional IEEE 2018 sobre Robótica y Automatización (ICRA), el equipo presentó su última generación de un exosuit multi-articulación móvil, que ha sido mejorado en todos los frentes y probado en el campo a través de largas marchas sobre terreno irregular. Usando el mismo exosuit en un segundo estudio publicado en el Revista de Neuroingeniería y Rehabilitación (JNER), los investigadores desarrollaron un método de ajuste automático para personalizar su asistencia en función de cómo el cuerpo de un individuo está respondiendo a él, y demostraron ahorros de energía significativos.

El exosuit suave con múltiples articulaciones se ajusta a usuarios individuales

El exosuit suave de múltiples articulaciones consta de componentes de prendas textiles que se usan en la cintura, los muslos y las pantorrillas. A través de un sistema de actuación móvil optimizado que se usa cerca de la cintura e integrado en una mochila militar, las fuerzas mecánicas se transmiten a través de cables que se guían a través de los componentes blandos del exosuit hasta las articulaciones del tobillo y la cadera. De esta manera, el exosuit agrega potencia a los tobillos y las caderas para ayudar con los movimientos de las piernas durante el ciclo de caminata.

“Hemos actualizado todos los componentes en esta nueva versión del exosuit suave de múltiples articulaciones: la prenda es más fácil de usar, fácil de poner y se adapta a diferentes formas del cuerpo; la actuación es más robusta, más ligera, más silenciosa y más pequeña; y el sistema de control nos permite aplicar fuerzas a las caderas y los tobillos de manera más robusta y consistente «, dijo David Perry, coautor del estudio ICRA e ingeniero del personal del equipo de Walsh. Como parte del programa DARPA, el exosuit se probó en el campo en Aberdeen, MD, en colaboración con los Laboratorios de Investigación del Ejército, donde los soldados caminaron a través de un curso a campo traviesa de 12 millas.

“Demostramos previamente que es posible utilizar métodos de optimización en línea que al cuantificar los ahorros de energía en el laboratorio individualizan automáticamente los parámetros de control entre los diferentes usuarios. Sin embargo, necesitábamos un medio para ajustar los parámetros de control de manera rápida y eficiente a los diferentes pasos de los soldados en el Ejército fuera de un laboratorio «, dijo Walsh, Ph.D., miembro de la Facultad Central del Instituto Wyss, el Profesor Asociado John L. Loeb de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en SEAS, y fundador del Harvard Biodesign Lab.

El exosuit suave con múltiples articulaciones se ajusta a usuarios individualesEn el estudio JNER, el equipo presentó un nuevo método de ajuste adecuado que utiliza sensores de exosuit para optimizar la potencia positiva entregada en las articulaciones del tobillo. Cuando un usuario comienza a caminar, el sistema mide la potencia y ajusta gradualmente los parámetros del controlador hasta encontrar los que maximizan los efectos del exosuit en función de la mecánica de la marcha individual del usuario. El método se puede usar como una medida indirecta para mediciones de energía elaboradas.

“Evaluamos los parámetros metabólicos en los siete participantes del estudio que llevaban exosuits que se sometieron al proceso de ajuste y descubrimos que el método redujo el costo metabólico de caminar en aproximadamente un 14.8% en comparación con caminar sin el dispositivo y en aproximadamente un 22% en comparación con caminar con el dispositivo sin poder «, dijo Sangjun Lee, el primer autor de ambos estudios y un estudiante graduado con Walsh en SEAS.

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“Estos estudios representan la culminación emocionante de nuestros esfuerzos financiados por DARPA. Ahora continuamos optimizando la tecnología para usos específicos en el Ejército donde los movimientos dinámicos son importantes; y lo estamos explorando para ayudar a los trabajadores en las fábricas que realizan tareas físicas extenuantes «, dijo Walsh. “Además, el campo ha reconocido que todavía hay mucho que entender sobre la ciencia básica de la coadaptación de humanos y robots portátiles. Las futuras estrategias de co-optimización y los nuevos enfoques de capacitación podrían ayudar a mejorar aún más los efectos de individualización y permitir a los usuarios que inicialmente responden mal a los exosuits también se adapten a ellos y se beneficien de su asistencia «.

«Esta investigación marca un punto importante en la Iniciativa de Robótica Suave Bioinspirada del Instituto Wyss y su desarrollo de exosuits suaves, ya que abre un camino en el que los usuarios sanos y discapacitados podrían adoptar y personalizar dispositivos robóticos en escenarios del mundo real». El Director Fundador, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children’s Hospital, y Profesor de Bioingeniería en SEAS.

Nota del editor: este artículo se volvió a publicar del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard.



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