Los exoesqueletos robóticos son vistos como el futuro de la industria, la rehabilitación física y la ayuda a los ancianos, pero el progreso en esta área es lento. Sin embargo, todo puede cambiar gracias a la
invención de investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie - Mellon. Desarrollaron un sistema de retroalimentación que armoniza el movimiento de las extremidades robóticas con pasos humanos.
Durante una hora, el sistema monitorea la respiración del transportista y cambia de manera iterativa 32 modos de exoesqueleto hasta que encuentre el más óptimo.
La identificación del patrón de potencia óptimo de los motores del exoesqueleto mientras camina es una tarea difícil. Cada persona tiene sus propias características de marcha, y las características de los pasos dependen de muchas condiciones, incluida la superficie sobre la que camina. Para resolver este problema, los ingenieros utilizan el método de fuerza bruta cuando el sistema prueba diferentes tiempos y potencias para encontrar el modo óptimo que brinde el mayor beneficio metabólico. Pero para medir los beneficios metabólicos, debe medir repetidamente el aliento del usuario, lo que, a su vez, reduce la cantidad de configuraciones que se pueden probar durante la fuerza bruta. Es decir, es difícil organizar el procedimiento más óptimo aquí.
Un grupo de investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie - Mellon en su
artículo científico describe un algoritmo que optimiza el patrón de torque de todos los motores del exoesqueleto durante un proceso iterativo de 1 hora con estimaciones en tiempo real de ahorros metabólicos. El exoesqueleto se adapta literalmente a la persona, siguiendo su respiración.
Durante las pruebas científicas de un sistema iterativo con una persona "en la mitad del ciclo" en varios voluntarios, el sistema mostró un ahorro metabólico promedio de 24.2 ± 7.4% en comparación con caminar con el exoesqueleto apagado. Es decir, una persona gasta aproximadamente una cuarta parte menos de energía cuando usa un exoesqueleto. Esta reducción es ligeramente mejor que los resultados obtenidos por otros grupos de investigación, pero estos son números muy buenos, dado que el exoesqueleto se usó para una sola pierna.
Además, después de optimizar el algoritmo, los resultados se mejoraron en el mismo exoesqueleto. Pero lo más importante, dicho entrenamiento es mucho más rápido que el uso de la fuerza bruta estándar y eso se ha demostrado en otros estudios. Esto le permite probar modos de operación más diversos durante la fuerza bruta (ver gráficos).
Tal esquema interactivo con monitoreo constante de la respiración humana (humano en el circuito) le permite adaptarse al estado actual de una persona, a su caminar en las condiciones actuales.
¿Por qué este método de adaptación para caminar es más efectivo que otros métodos? Desde la década de 1970, los científicos han demostrado que es una práctica variable que contribuye a la adquisición de habilidades. Antes de esto, se creía que el entrenamiento debería llevarse a cabo en condiciones constantes e inmutables. Hablando en términos generales, una persona debe repetir lo mismo muchas veces para aprenderlo y adquirir una habilidad. Pero no Al final resultó que, la práctica debería ser variable: las condiciones deberían cambiar, por lo que la adquisición de habilidades es mucho más rápida. Desde entonces, la práctica variable se ha utilizado en medicina, deportes y formación profesional. Entonces, el algoritmo de ingenieros de la Universidad Carnegie - Mellon parece utilizar este principio, que se ha utilizado durante mucho tiempo para educar a las personas. Los ahorros metabólicos demostrados aquí se logran mediante una combinación de optimización de torque efectiva y adaptación humana a una amplia variedad de patrones de torque que se ordenan en el proceso.
Los autores del trabajo científico sugieren que de esta manera es posible acelerar el retorno de las habilidades motoras completas a los pacientes en quienes estas habilidades se ven afectadas, por ejemplo, después de un accidente cerebrovascular. La variabilidad del torque del exoesqueleto proporcionará un entorno de aprendizaje tan variable en el que las habilidades del paciente se recuperarán mucho más rápido. Es como correr sobre terreno accidentado, que entrena las piernas mucho mejor que correr en una cinta plana. En lugar de caminar con el mismo esfuerzo todos los días, una persona tendrá que adaptarse, cambiar la velocidad y el esfuerzo: este será un entrenamiento verdaderamente efectivo.
Además, los científicos planean establecerse otra tarea. Si ahora el objetivo principal era salvar el equilibrio metabólico (es decir, el ahorro de energía banal) al caminar, en el futuro pueden establecer un nuevo objetivo para la optimización: la velocidad. En los últimos años, los estudios científicos han demostrado que los exoesqueletos en realidad pueden aumentar la velocidad promedio de una persona al caminar. Es hora de verificar si esto se puede hacer sin comprometer el equilibrio metabólico.
En cualquier caso, el exoesqueleto interactivo, que monitorea la respiración del caminante y su equilibrio metabólico, actúa de acuerdo con un programa dado, ¿no es ese el futuro? Incluso una persona sana no rechazaría tal dispositivo. Por ejemplo, en modo normal, el exoesqueleto simplemente hace que caminar sea más fácil. Pero si llega tarde a una reunión, presione el botón Turbo y el exoesqueleto comenzará a funcionar en el modo de prioridad de velocidad.
El artículo científico fue
publicado en la revista
Science el 23 de junio de 2017 (doi: 10.1126 / science.aan5367).