Figura: Los ingenieros de la Universidad de Stanford han probado qué tan bien un prototipo de sistema de exoesqueleto que han desarrollado aumentó la velocidad de marcha autoseleccionada de las personas, en un entorno experimental. El modo optimizado para la velocidad se creó a través de un proceso humano en el bucle. Crédito: Farrin Abbott
Exoesqueleto de tobillo acelera la velocidad de marcha
26 de abril de 2021 | Historia original de la Universidad de Stanford
No poder caminar rápidamente puede ser frustrante y problemático, pero es un problema común, especialmente a medida que las personas envejecen. Observando la omnipresencia de caminar más lentamente de lo deseado, los ingenieros de la Universidad de Stanford han probado su éxito al desarrollar un prototipo de sistema de exoesqueleto -que se une alrededor de la espinilla y en una zapatilla de correr- aumentó la velocidad de marcha autoseleccionada de las personas en un entorno experimental.
El exoesqueleto está alimentado externamente por motores y controlado por un algoritmo. Cuando los investigadores optimizaron la velocidad, los participantes caminaron, en promedio, un 42% más rápido que cuando llevaban zapatillas normales y sin exoesqueleto. Los resultados de este estudio fueron publicados el 20 de abril en IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.
“Esperábamos poder aumentar la velocidad de marcha con asistencia de exoesqueleto, pero nos sorprendió mucho encontrar una mejora tan grande”, sostuvo Steve Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica en Stanford y autor principal del artículo. “El cuarenta por ciento es un porcentaje enorme”
Para este conjunto inicial de experimentos, los participantes eran adultos jóvenes y sanos. Dados sus impresionantes resultados, los investigadores planean realizar futuras pruebas con adultos mayores y analizar otras formas en que se puede mejorar el diseño del exoesqueleto. También esperan eventualmente crear un exoesqueleto que pueda funcionar fuera del laboratorio, aunque ese objetivo todavía está lejos.
“La misión de mi investigación es comprender la ciencia de la biomecánica y el control motor detrás de la locomoción humana y aplicarla para mejorar el rendimiento físico de los seres humanos en la vida diaria”, comento Seungmoon Song, becario postdoctoral en ingeniería mecánica y autor principal del artículo. “Creo que los exoesqueletos son herramientas muy prometedoras que podrían lograr esa mejora en la calidad de vida física”.
Caminando en bucle
El sistema de exoesqueleto de tobillo probado en esta investigación es un emulador experimental que sirve como un banco de pruebas para probar diferentes diseños. Tiene un marco que se sujeta alrededor de la espinilla superior y en una zapatilla de running integrada, que el participante usa. Está unido a grandes motores que se colocan junto a la superficie de caminar y tiran de una correa que se extiende hasta la longitud de la parte posterior del exoesqueleto. Controlado por un algoritmo, la correa tira del talón del usuario hacia arriba, ayudándoles a apuntar su dedo del pie hacia abajo mientras empujan desde el suelo.
Para este estudio, los investigadores hicieron que 10 participantes caminaran con cinco modos de operación diferentes. Caminaron en zapatos normales sin el 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 lentamente. En todas las pruebas, los participantes caminaron en una cinta de correr que se adapta a su velocidad.
El modo optimizado para la velocidad - que resultó en el aumento del 42 por ciento en el ritmo de marcha -fue creado a través de un proceso humano en el bucle-. Un algoritmo ajustó repetidamente la configuración del exoesqueleto mientras el usuario caminaba, con el objetivo de mejorar la velocidad del usuario con cada ajuste. Encontrar el modo de operación optimizado para la velocidad tomó alrededor de 150 rondas de ajuste y dos horas por persona.
Además de aumentar considerablemente la velocidad de marcha, el modo optimizado para la velocidad también redujo el uso de energía, en aproximadamente un 2 por ciento por metro recorrido. Sin embargo, ese resultado varió ampliamente de persona a persona, lo cual es algo esperable, dado que no era una característica intencional de ese exoesqueleto.
“El estudio fue diseñado para responder específicamente a la pregunta científica sobre el aumento de la velocidad de marcha”, dijo Song. “No nos importaban demasiado las otras medidas de rendimiento, como la comodidad o la energía. Sin embargo, siete de cada 10 participantes no sólo caminaron más rápido, sino que consumieron menos energía, lo que realmente muestra la potencialidad que tienen estos exoesqueletos para ayudar a las personas de una manera eficiente”.
Los ajustes optimizados específicamente para el uso de energía se tomaron prestados de un experimento anterior. En el estudio actual, este modo disminuyó el uso de energía más que los ajustes optimizados para la velocidad, pero no aumentó tanto la velocidad. Como estaba previsto, el modo placebo frenó a los participantes y aumentó su consumo de energía.
Mejor, más rápido, más fuerte
Ahora que los investigadores han logrado una asistencia de velocidad tan significativa, planean enfocar futuras versiones del emulador de exoesqueleto de tobillo en reducir el uso de energía consistentemente entre los usuarios, así como también su comodidad.
Al considerar específicamente a los adultos mayores, Collins y su laboratorio se preguntan si los diseños futuros podrían reducir el dolor causado por el peso en las articulaciones o mejorar el equilibrio. Planean realizar pruebas de caminar similares con adultos mayores y esperan que también proporcionen resultados alentadores.
“Un aumento del 40% en la velocidad es más que la diferencia verificada entre los adultos más jóvenes y los adultos mayores", dijo Collins. “Por lo tanto, es posible que dispositivos como este no sólo podrían restaurar, sino mejorar la velocidad de marcha autoseleccionada para las personas mayores y eso es algo que estamos emocionados de probar a continuación.”
Referencia
Song S, Collins SH. Optimizing exoskeleton assistance for faster self-selected walking. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. Published online 2021:1-1. doi:10.1109/TNSRE.2021.3074154
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