Desarrollan exoesqueleto que aumenta la velocidad al caminar y reduce el esfuerzo

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Después de años de cuidadoso desarrollo, ingenieros han creado un exoesqueleto similar a una bota que aumenta la velocidad al caminar y reduce el esfuerzo fuera del laboratorio.

Durante años, el Laboratorio de Biomecatrónica de Stanford ha cautivado la imaginación con sus emuladores de exoesqueleto: dispositivos robóticos basados en laboratorio que ayudan a los usuarios a caminar y correr más rápido, con menos esfuerzo.

Ahora, estos investigadores llamarán la atención con su primer exoesqueleto sin ataduras.

“Este exoesqueleto personaliza la asistencia mientras las personas caminan normalmente por el mundo real”, dijo Steve Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica que dirige el Laboratorio de Biomecatrónica de Stanford.

“Y resultó en mejoras excepcionales en la velocidad al caminar y la economía de energía”.

Esta “bota robótica” tiene un motor que funciona con los músculos de la pantorrilla para dar al usuario un empujón extra con cada paso.

Pero, a diferencia de otros exoesqueletos, este impulso se personaliza gracias a un modelo basado en aprendizaje automático que se entrenó a través de años de trabajo con emuladores.

“En una caminadora, nuestro dispositivo proporciona el doble de ahorro de energía que los exoesqueletos anteriores”, dijo Patrick Slade, quien trabajó en el exoesqueleto como estudiante de doctorado y becario posdoctoral de Wu Tsai Human Performance Alliance en Stanford.

“En el mundo real, esto se traduce en importantes ahorros de energía y mejoras en la velocidad al caminar”.

El objetivo final es ayudar a las personas con problemas de movilidad, en particular a las personas mayores, a moverse por el mundo como quieran.

Con este último avance, el equipo de investigación cree que la tecnología está lista para su comercialización en los próximos años.

“La primera vez que te pones un exoesqueleto puede requerir un poco de ajuste”, dijo Ava Lakmazaheri, una estudiante graduada en el Laboratorio de Biomecatrónica que usó el exoesqueleto en las pruebas.

“Pero, sinceramente, dentro de los primeros 15 minutos de caminata, comienza a sentirse bastante natural.

Caminar con los exoesqueletos literalmente se siente como si tuvieras un resorte extra en tu paso. Realmente hace que el siguiente paso sea mucho más fácil”.

La principal barrera para un exoesqueleto efectivo en el pasado fue la individualización.

“La mayoría de los exoesqueletos están diseñados usando una combinación de intuición o biomimética, pero las personas son demasiado complicadas y diversas para que eso funcione bien”, explicó Collins.

Para abordar ese problema, este grupo confió en sus emuladores de exoesqueleto: configuraciones de laboratorio grandes, inmóviles y costosas que pueden probar rápidamente la mejor manera de ayudar a las personas y descubrir los modelos para dispositivos portátiles efectivos para usar fuera del laboratorio.

Con estudiantes y voluntarios conectados a los emuladores, los investigadores recopilaron datos de gasto de energía y movimiento para comprender cómo la forma en que una persona camina con el exoesqueleto se relaciona con la cantidad de energía que está utilizando.

Estos datos revelaron los beneficios relativos de los diferentes tipos de asistencia que ofrece el emulador.

También informó un modelo de aprendizaje automático que el exoesqueleto del mundo real ahora usa para adaptarse a cada usuario.

A diferencia del emulador, el exoesqueleto sin ataduras puede monitorear el movimiento utilizando solo sensores portátiles económicos integrados en la bota.

“Medimos la fuerza y el movimiento del tobillo a través de los dispositivos portátiles para brindar asistencia precisa”, dijo Slade.

“Al hacer esto, podemos controlar cuidadosamente el dispositivo mientras las personas caminan y ayudarlas de una manera segura y discreta”.

El exoesqueleto facilita caminar y puede aumentar la velocidad al aplicar torsión en el tobillo, reemplazando parte de la función del músculo de la pantorrilla.

A medida que los usuarios dan un paso, justo antes de que los dedos de sus pies estén a punto de dejar el suelo, el dispositivo los ayuda a impulsarse.

Cuando una persona usa el exoesqueleto por primera vez, proporciona un patrón de asistencia ligeramente diferente cada vez que la persona camina.

Al medir el movimiento resultante, el modelo de aprendizaje automático determina cómo ayudar mejor a la persona la próxima vez que camine.

Se necesita solo una hora de caminata para que el exoesqueleto se adapte a un nuevo usuario.

En las pruebas, los investigadores encontraron que su exoesqueleto superó sus expectativas.

Según sus cálculos, el ahorro de energía y el aumento de velocidad fueron equivalentes a “quitarse una mochila de 30 libras”.

“La asistencia optimizada permitió a las personas caminar un 9 % más rápido con un 17 % menos de gasto de energía por distancia recorrida, en comparación con caminar con zapatos normales.

Estas son las mayores mejoras en la velocidad y la energía de la marcha económica de cualquier exoesqueleto hasta la fecha”, dijo Collins.

“En comparaciones directas en una cinta de correr, nuestro exoesqueleto proporciona aproximadamente el doble de reducción de esfuerzo que los dispositivos anteriores“.

El siguiente paso para el exoesqueleto es ver qué puede hacer por el grupo demográfico objetivo: adultos mayores y personas que comienzan a experimentar una disminución de la movilidad debido a una discapacidad.

Los investigadores también planean diseñar variaciones que mejoren el equilibrio y reduzcan el dolor en las articulaciones, y trabajar con socios comerciales para convertir el dispositivo en un producto.

“Esta es la primera vez que vemos que un exoesqueleto proporciona ahorros de energía para los usuarios del mundo real”, dijo Slade.

“Creo que durante la próxima década veremos estas ideas de asistencia personalizada y exoesqueletos portátiles efectivos que ayudarán a muchas personas a superar los desafíos de movilidad o a mantener su capacidad de vivir vidas activas, independientes y significativas”.

“Hemos estado trabajando para lograr este objetivo durante aproximadamente 20 años y, sinceramente, estoy un poco sorprendido de que finalmente podamos lograrlo”, dijo Collins.

“Realmente creo que esta tecnología va a ayudar a mucha gente”.

Fuente: Stanford News