Exotraje personalizado para caminar en el mundo real

Las personas rara vez caminan a una velocidad constante y con una sola inclinación. Cambiamos de velocidad cuando nos apresuramos a llegar a la siguiente cita, cuando nos cruzamos con un semáforo o cuando vamos a dar un paseo informal por el parque. Las pendientes también cambian todo el tiempo, ya sea que vayamos de excursión o subamos una rampa hacia un edificio. Además de la variable ambiental, 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 el caminar en condiciones del mundo real. Hasta la fecha, personalizar la asistencia robótica portátil para caminar de una persona requiere horas de ajuste manual o automático, una tarea tediosa para personas sanas y, a menudo, imposible para adultos mayores o pacientes clínicos.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado un nuevo enfoque en el que la asistencia del exotraje robótico se puede calibrar para un individuo y adaptarse a una variedad de tareas de caminar del mundo real en cuestión de segundos. El sistema bioinspirado utiliza mediciones de ultrasonido de la dinámica muscular para desarrollar un perfil de asistencia personalizado y específico para la actividad de los usuarios del exotraje.

Los intentos bioinspirados anteriores de desarrollar perfiles de asistencia individualizados para exotrajes robóticos se centraron en los movimientos dinámicos de las extremidades del usuario. Los investigadores de SEAS adoptaron un enfoque diferente.

No existe necesariamente un mapeo directo entre el movimiento de las extremidades y el de los músculos subyacentes que impulsan su movimiento. Entonces, para estudiar la dinámica muscular, el equipo ató un sistema de ultrasonido portátil a las pantorrillas de los participantes y tomó imágenes de sus músculos mientras realizaban una serie de tareas para caminar.

A partir de estas imágenes pregrabadas, calcularon la fuerza de asistencia que se aplicaría en paralelo con los músculos de la pantorrilla para compensar el trabajo adicional que deben realizar durante la fase de impulso del ciclo de marcha. El nuevo sistema solo necesita caminar unos segundos, incluso un paso puede ser suficiente para capturar el perfil del músculo.

Para cada uno de los perfiles generados por ultrasonido, los investigadores midieron la cantidad de energía metabólica que usaba la persona mientras caminaba con y sin exotraje. Descubrieron que la asistencia basada en los músculos proporcionada por el exotraje reducía significativamente la energía metabólica de caminar en un rango de velocidades e inclinaciones.

El exotraje también aplicó una fuerza de asistencia más baja para lograr el mismo o mejor beneficio de energía metabólica que el registrado en estudios publicados anteriormente. “Al medir el músculo directamente, podemos trabajar de manera más intuitiva con la persona que usa el exotraje”, dijo el estudiante graduado Sangjun Lee. “Con este enfoque, el exotraje no está dominando al usuario, está trabajando en cooperación con ellos”. Cuando se probó en situaciones del mundo real, el exotraje pudo adaptarse rápidamente a los cambios en la velocidad de marcha y la inclinación.

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