Exotraje Adaptativo: Soporte Personalizado para Caminar Cotidiano

Las personas rara vez caminan a una velocidad constante y una sola inclinación. Cambiamos de velocidad al apresurarnos a la próxima cita, cruzar una señal de cruce o dar un paseo casual por el parque. Las pendientes cambian constantemente también, ya sea que vayamos de excursión o subamos una rampa a un edificio. Además de la variabilidad ambiental, cómo caminamos está influenciado por sexo, altura, edad y fuerza muscular, y a veces por trastornos neurológicos o musculares como accidente cerebrovascular o enfermedad de Parkinson.

Esta variabilidad humana y de tarea es un gran desafío en el diseño de robótica portátil para asistir o aumentar la caminata en condiciones del mundo real. Hasta la fecha, personalizar la asistencia robótica portátil a la caminata de un individuo requiere horas de ajuste manual o automático —una tarea tediosa para individuos sanos 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 de exotraje robótico puede calibrarse a un individuo y adaptarse a una variedad de tareas de caminata del mundo real en cuestión de segundos. El sistema bioinspirado usa mediciones de ultrasonido de la dinámica muscular para desarrollar un perfil de asistencia personalizado y específico de la actividad para usuarios del exotraje.

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

No hay necesariamente un mapeo directo entre el movimiento de las extremidades y el de los músculos subyacentes que impulsan su movimiento. Así que, para estudiar la dinámica muscular, el equipo colocó un sistema de ultrasonido portátil en las pantorrillas de los participantes e imaginó sus músculos mientras realizaban una serie de tareas de caminata.

A partir de estas imágenes pre-grabadas, estimaron la fuerza asistiva que se aplicaría en paralelo con los músculos de la pantorrilla para compensar el trabajo adicional que necesitan realizar durante la fase de impulso del ciclo de caminata. 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 durante la caminata con y sin el exotraje. Encontraron que la asistencia basada en músculos proporcionada por el exotraje redujo significativamente la energía metabólica de la caminata en un rango de velocidades e inclinaciones.

El exotraje también aplicó menor fuerza de asistencia para lograr el mismo o mejor beneficio de energía metabólica que se ha registrado en estudios publicados anteriormente. “Al medir el músculo directamente, podemos trabajar más intuitivamente con la persona que usa el exotraje”, dijo el estudiante de posgrado Sangjun Lee. “Con este enfoque, el exotraje no está sobrepasando al usuario, está trabajando cooperativamente con él.” Cuando se probó en situaciones del mundo real, el exotraje pudo adaptarse rápidamente a cambios en la velocidad y la inclinación de la caminata.

Luego, el equipo de investigación tiene como objetivo probar el sistema haciendo ajustes constantes en tiempo real.