Exotraje personalizado para caminar en el mundo real
La gente rara vez camina a una velocidad e inclinación constantes. Cambiamos de velocidad cuando nos apresuramos para llegar a nuestra próxima cita, cuando nos encontramos con una señal en un paso de peatones o cuando caminamos por el parque. Los gradientes también cambian constantemente, tanto si caminamos como si subimos una rampa a un edificio. Además del entorno cambiante, el sexo, la estatura, la edad y la fuerza muscular también afectan a la forma de caminar, y a veces a trastornos nerviosos o musculares como el ictus o la enfermedad de Parkinson.
Esta variabilidad humana y de la tarea es un reto importante a la hora de diseñar robots vestibles que ayuden o apoyen a caminar en condiciones reales. Adaptar los asistentes robóticos vestibles a la forma de andar de una persona requiere horas de ajuste manual o automático, una tarea tediosa para las personas sanas y a menudo imposible para los ancianos o los pacientes clínicos.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Harvard John A. Paulson (SEAS) han desarrollado un nuevo enfoque que permite calibrar en segundos un exosuit robótico para un individuo y adaptarlo a diferentes tareas de marcha en el mundo real. El sistema, de inspiración biológica, utiliza mediciones por ultrasonidos de la dinámica muscular para crear un perfil de asistencia personalizado y específico para la actividad del usuario del exosuit.
«Nuestro enfoque basado en la asistencia muscular permite crear con relativa rapidez perfiles de asistencia personalizados que proporcionan un beneficio real al caminante», afirma Robert D. Howe, profesor de ingeniería de Abbott y James Lawrence, y coautor del trabajo.
La investigación se ha publicado en la revista Science Robotics.
Los intentos anteriores de desarrollar perfiles individualizados para la asistencia de exosuits robóticos se han centrado en los movimientos dinámicos de las extremidades del usuario. Los investigadores de SEAS adoptaron un enfoque diferente. La investigación es una colaboración entre el Laboratorio de Biorobótica Howe de Harvard, que tiene una amplia experiencia en la obtención de imágenes por ultrasonidos y el procesamiento de imágenes en tiempo real, y el Laboratorio de Biodiseño de Harvard, dirigido por Connor J. Walsh, Paul A. Meder en SEAS, que está desarrollando robots blandos vestibles para mejorar y restaurar el rendimiento humano.
«Utilizando los ultrasonidos, miramos bajo la piel y medimos directamente lo que hacían los músculos del usuario durante varias tareas al caminar», dice Richard Nuckols, becario postdoctoral en SEAS y coautor del artículo. «Nuestros músculos y tendones son flexibles, lo que significa que puede no haber un mapa directo entre el movimiento de las extremidades y los músculos subyacentes que impulsan su movimiento».
El equipo de investigación colocó un sistema de ultrasonidos portátil en las pantorrillas de los participantes y escaneó sus músculos mientras realizaban una serie de tareas al caminar.
«A partir de estas imágenes pregrabadas, calculamos la fuerza auxiliar que debe aplicarse en paralelo con los músculos de la pantorrilla para compensar el trabajo extra que deben realizar durante la fase de desaceleración del ciclo de la marcha», explica Kritika Swaminathan, estudiante de posgrado de SEAS y de la Escuela de Artes y Ciencias (GSAS) y coautora del estudio.
El nuevo sistema sólo necesita caminar durante unos segundos, e incluso un solo paso puede ser suficiente para detectar el perfil del músculo.
A continuación, los investigadores midieron para cada uno de los perfiles generados por los ultrasonidos cuánta energía metabólica utilizaba la persona mientras caminaba con y sin exotraje. Los investigadores descubrieron que la asistencia muscular proporcionada por el exosuit reducía significativamente la energía metabólica al caminar a diferentes velocidades e inclinaciones.
Además, el exosuit utilizó menos fuerza de asistencia para lograr la misma o mejor ganancia de energía metabólica en comparación con los estudios publicados anteriormente.
«Al medir los músculos directamente, podemos trabajar de forma más intuitiva con la persona que utiliza el exodrag», afirma Sangjun Lee, estudiante de posgrado en SEAS y GSAS y coautor del primer estudio. «De este modo, el exodragma no domina al usuario, sino que trabaja con él».
En pruebas reales, el exodragma es capaz de adaptarse rápidamente a los cambios de velocidad e inclinación de la marcha.
A continuación, el equipo de investigación intentó probar el sistema realizando constantes ajustes en tiempo real.
«Este enfoque puede apoyar el despliegue de la robótica vestible en situaciones dinámicas del mundo real al permitir una asistencia cómoda, personalizada y adaptable», dijo Walsh, autor principal del artículo.