El exoesqueleto del tobillo permite caminar más rápido.

El exoesqueleto del tobillo permite caminar más rápido.

abril 24, 2021 0 Por RenzoC

ESPAPELIS

No poder caminar rápido puede ser frustrante y problemático, pero es un problema común, especialmente a medida que envejecemos. Al notar la omnipresencia de caminar más lento de lo esperado, los ingenieros de la Universidad de Stanford probaron qué tan bien un prototipo de sistema de exoesqueleto que desarrollaron, que se adhiere alrededor de la espinilla y en un zapato para correr, aumentó la velocidad de caminata autoseleccionada de las personas en un experimento de escenario.

El exoesqueleto es alimentado externamente por motores y controlado por un algoritmo. Cuando los investigadores lo optimizaron para la velocidad, los participantes caminaron, en promedio, un 42% más rápido que cuando usaban zapatos normales sin exoesqueleto. Los resultados de este estudio se publicaron el 20 de abril en IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.

«Esperábamos poder aumentar la velocidad al caminar con la ayuda del exoesqueleto, pero nos sorprendió mucho encontrar una mejora tan grande», dijo Steve Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica en Stanford y autor principal del artículo. «El cuarenta por ciento es enorme».

Para esta primera serie de experimentos, los participantes eran adultos jóvenes y sanos. Dados sus impresionantes resultados, los investigadores planean realizar pruebas futuras con adultos mayores y buscar otras formas de mejorar el diseño del exoesqueleto. También esperan crear eventualmente un exoesqueleto que pueda funcionar fuera del laboratorio, incluso si el objetivo aún está muy lejos.

«Mi misión de investigación es comprender la ciencia de la biomecánica y el control motor que subyace a la locomoción humana y aplicarla para mejorar el rendimiento físico de los seres humanos en la vida diaria», dijo Seungmoon Song, becario postdoctoral en ingeniería mecánica y autor del artículo principal. «Creo que los exoesqueletos son herramientas muy prometedoras que podrían lograr esa mejora en la calidad de vida física».

Caminando en el cielo

El sistema exoesquelético del tobillo probado en esta investigación es un emulador experimental que sirve como banco de pruebas para probar diferentes modelos. Tiene un marco que se abrocha alrededor de la parte superior de la espinilla y en una zapatilla de running integrada que lleva el participante. Está conectado a motores grandes que se encuentran al lado de la plataforma y tiran de un cable que corre a lo largo de la parte posterior del exoesqueleto. Controlado por un algoritmo, el cordón tira del talón del usuario hacia arriba, ayudándolo a apuntar el dedo del pie hacia abajo mientras se levanta del suelo.

Para este estudio, los investigadores caminaron a 10 participantes con cinco modos diferentes de funcionamiento. Caminaron con zapatos normales sin exoesqueleto, con el exoesqueleto apagado y con el exoesqueleto encendido con tres modos diferentes: optimizado para la velocidad, optimizado para el uso de energía y un modo placebo ajustado para hacerlos caminar más lento. En todas las pruebas, los participantes caminaron en una cinta que se adaptó a su velocidad.

El modo de velocidad optimizada, que resultó en un aumento del 42% en el ritmo al caminar, fue creado a través de un proceso humano en el ciclo. Un algoritmo ajustaba repetidamente la configuración del exoesqueleto mientras el usuario caminaba, con el objetivo de mejorar la velocidad del usuario con cada ajuste. La búsqueda del modo de funcionamiento con velocidad optimizada tomó aproximadamente 150 ciclos de ajuste y dos horas por persona.

Además de aumentar significativamente la velocidad al caminar, el modo de velocidad optimizada también redujo el consumo de energía en aproximadamente un 2% por metro recorrido. Sin embargo, ese resultado varió ampliamente de persona a persona, lo cual es algo esperado, ya que no fue una característica intencional de ese modo de exoesqueleto.

«El estudio fue diseñado para abordar específicamente la cuestión científica del aumento de la velocidad al caminar», dijo Song. “No nos preocupamos demasiado por otras medidas de rendimiento, como la comodidad o la energía. Sin embargo, siete de cada 10 participantes no solo caminaron más rápido, sino que consumieron menos energía, lo que realmente muestra cuánto potencial tienen los exoesqueletos para ayudar a las personas de manera eficiente «.

Los ajustes que se han optimizado específicamente para el uso de energía se tomaron prestados de un experimento anterior. En el estudio actual, este modo redujo el consumo de energía más que la configuración de velocidad optimizada, pero no aumentó tanto la velocidad. Como era de esperar, el modo placebo ralentizó a los participantes y aumentó su consumo de energía.

Mejor mas rapido mas fuerte

Ahora que los investigadores han obtenido una asistencia de velocidad tan significativa, tienen la intención de enfocar las versiones futuras del emulador de exoesqueleto de tobillo en reducir el consumo de energía de manera consistente entre los usuarios mientras se sienten más cómodos.

Al considerar específicamente a las personas mayores, Collins y su laboratorio se preguntan si los proyectos futuros podrían reducir el dolor articular o mejorar el equilibrio. Planean realizar pruebas de caminata similares con adultos mayores y esperan que también proporcionen resultados alentadores.

«Un aumento del 40 por ciento en la velocidad es más que la diferencia entre jóvenes y mayores», dijo Collins. «Por lo tanto, es posible que dispositivos como este no solo restauren, sino que mejoren la velocidad de marcha autoseleccionada para las personas mayores y eso es algo que nos entusiasma probar más adelante».

Collins también es miembro de Stanford Bio-X. Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation y los National Institutes of Health.

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Taylor Kubota, Servicio de Noticias de Stanford: (650) 724-7707, tkubota@stanford.edu