Crean exotraje personalizado para caminar en el mundo real

Las mediciones de ultrasonido de la dinámica muscular brindan asistencia personalizada y específica para la actividad.

La gente rara vez camina a una velocidad constante y en una sola pendiente.

Cambiamos de velocidad cuando nos apresuramos a ir a la próxima cita, nos encontramos con una señal de cruce de peatones o damos un paseo informal por el parque.

Las pendientes también cambian todo el tiempo, ya sea que vayamos a caminar o por una rampa hacia un edificio.

Además de las variables ambientales, la forma en que caminamos está influenciada por el sexo, la altura, la edad y la fuerza muscular y, a veces, por trastornos neurales o musculares como un accidente cerebrovascular o la enfermedad de Parkinson.

Esta variabilidad humana y de tareas es un desafío importante en el diseño de robótica portátil para ayudar o mejorar la marcha en condiciones del mundo real.

Hasta la fecha, personalizar la asistencia robótica portátil para la marcha de un individuo requiere horas de ajuste manual o automático, una tarea tediosa para personas sanas y, a menudo, imposible para adultos mayores o pacientes clínicos.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard han desarrollado un nuevo enfoque en el que la asistencia robótica con exotrajes puede calibrarse para un individuo y adaptarse a una variedad de situaciones reales en cuestión de segundos.

El sistema bioinspirado utiliza mediciones de ultrasonido de la dinámica muscular para desarrollar un perfil de asistencia personalizado y específico de la actividad para los usuarios del exotraje.

“Nuestro enfoque basado en los músculos permite la generación relativamente rápida de perfiles de asistencia individualizados que brindan un beneficio real a la persona que camina”, dijo Robert D. Howe, Ph.D., profesor de ingeniería de Abbott y James Lawrence y coautor del artículo.

Los investigadores de SEAS adoptaron un enfoque diferente.

La investigación fue una colaboración entre el Harvard Biorobotics Laboratory de Howe, que tiene una amplia experiencia en imágenes de ultrasonido y procesamiento de imágenes en tiempo real, y el Harvard Biodesign Lab, dirigido por Conor J. Walsh, Ph.D., miembro asociado de la facultad del Wyss Institute. y el profesor Paul A. Maeder de ingeniería y ciencias aplicadas en SEAS, que desarrolla robots portátiles blandos para aumentar y restaurar el rendimiento humano.

“Usamos ultrasonido para mirar debajo de la piel y medimos directamente lo que estaban haciendo los músculos del usuario durante varias tareas de caminar“, dijo Richard Nuckols, Ph.D., investigador asociado postdoctoral en SEAS y el Instituto Wyss y co-primer autor del artículo.

“Nuestros músculos y tendones se adaptan, lo que significa que no hay necesariamente un mapeo directo entre el movimiento de las extremidades y el de los músculos subyacentes que impulsan su movimiento”.

El equipo de investigación ató un sistema de ultrasonido portátil a las pantorrillas de los participantes y tomó imágenes de sus músculos mientras realizaban una serie de tareas de caminata.

“A partir de estas imágenes pregrabadas, estimamos que la fuerza de asistencia se aplicará en paralelo con los músculos de la pantorrilla para compensar el trabajo adicional que necesitan realizar durante la fase de empuje del ciclo de caminar”, dijo la co-primera autora Krithika Swaminathan. , quien trabajó en el equipo de Walsh en SEAS y el Instituto Wyss, y es un estudiante de posgrado en SEAS y la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias (GSAS).

El nuevo sistema solo necesita unos segundos de caminata, incluso una zancada puede ser suficiente para capturar el perfil del músculo.

Para cada uno de los perfiles generados por ultrasonido, los investigadores midieron cuánta energía metabólica usaba la persona al caminar con y sin el exotraje.

Descubrieron que la asistencia basada en los músculos proporcionada por el exotraje redujo significativamente la energía metabólica de caminar a través de un rango de velocidades e inclinaciones al caminar.

El exotraje también aplicó una fuerza de asistencia menor para lograr el mismo beneficio de energía metabólica o mejor que los estudios publicados anteriormente.

“Al medir el músculo directamente, podemos trabajar de manera más intuitiva con la persona que usa el exotraje”, dijo Sangjun Lee, estudiante graduado de SEAS y GSAS y coautor principal del estudio.

“Con este enfoque, el exotraje no abruma al usuario, sino que trabaja en cooperación con él”.

Cuando se probó en situaciones del mundo real, el exotraje pudo adaptarse rápidamente a los cambios en la velocidad y la inclinación al caminar.

Este enfoque puede ayudar a respaldar la adopción de la robótica portátil en situaciones dinámicas del mundo real al permitir una asistencia cómoda, personalizada y adaptativa.

A continuación, el equipo de investigación tiene como objetivo probar el sistema realizando ajustes constantes en tiempo real.

“Este enfoque puede ayudar a respaldar la adopción de la robótica portátil en situaciones dinámicas del mundo real al permitir una asistencia cómoda, personalizada y adaptativa”, dijo Walsh, autor principal del artículo.

Fuente: Science Robotics