Os exoesqueletos robóticos são vistos como o futuro da indústria, da reabilitação física e da ajuda aos idosos, mas o progresso nessa área é lento. No entanto, tudo pode mudar graças à
invenção de pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Carnegie University - Mellon. Eles desenvolveram um sistema de feedback que harmoniza o movimento de membros robóticos com passos humanos.
Por uma hora, o sistema monitora a respiração do transportador - e altera iterativamente 32 modos de exoesqueleto até encontrar o mais ideal.
A identificação do padrão de potência ideal dos motores do exoesqueleto durante a caminhada é uma tarefa difícil. Cada pessoa tem suas próprias características de marcha, e as características dos degraus dependem de muitas condições, incluindo a superfície em que a pessoa está andando. Para resolver esse problema, os engenheiros usam o método da força bruta quando o sistema testa diferentes tempos e potências para encontrar o modo ideal que oferece o maior benefício metabólico. Mas, para medir os benefícios metabólicos, é necessário medir repetidamente a respiração do usuário, o que, por sua vez, reduz o número de configurações que podem ser testadas durante a força bruta. Ou seja, é difícil organizar o procedimento mais ideal aqui.
Um grupo de pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Carnegie - Mellon, em seu
artigo científico, descreve um algoritmo que otimiza o padrão de torque de todos os motores do exoesqueleto durante um processo iterativo de 1 hora com estimativas em tempo real das economias metabólicas. O exoesqueleto literalmente se adapta à pessoa, acompanhando sua respiração.
Durante testes científicos de um sistema iterativo com uma pessoa “no meio do ciclo” em vários voluntários, o sistema mostrou uma economia metabólica média de 24,2 ± 7,4% em comparação com a deambulação com o exoesqueleto desligado. Ou seja, uma pessoa gasta cerca de um quarto a menos de energia ao usar um exoesqueleto. Essa redução é um pouco melhor do que os resultados obtidos por outros grupos de pesquisa, mas esses são números muito bons, uma vez que o exoesqueleto foi usado para apenas uma perna.
Além disso, após a otimização do algoritmo, os resultados foram aprimorados no mesmo exoesqueleto. Mas o mais importante é que esse treinamento é muito mais rápido do que o uso da força bruta padrão e isso foi demonstrado em outros estudos. Isso permite que você experimente modos de operação mais diversos durante a força bruta (veja gráficos).
Esse esquema interativo com monitoramento constante da respiração humana (humano no circuito) permite que você se adapte ao estado atual de uma pessoa, à sua caminhada nas condições atuais.
Por que esse método de adaptação à caminhada de uma pessoa foi mais eficaz do que outros métodos? Desde a década de 1970, os cientistas demonstraram que é uma prática variável que contribui para a aquisição de habilidades. Antes disso, acreditava-se que o treinamento deveria ser realizado em condições constantes e imutáveis. Grosso modo, uma pessoa deve repetir a mesma coisa várias vezes para aprender e adquirir uma habilidade. Mas não. Como se viu, a prática deve ser variável: as condições devem mudar - para que a aquisição de habilidades seja muito mais rápida. Desde então, a prática variável tem sido usada em medicina, esportes e treinamento vocacional. Portanto, o algoritmo de engenheiros da Carnegie University - Mellon parece usar esse princípio, que há muito tempo é usado para educar as pessoas. As economias metabólicas demonstradas aqui são obtidas através de uma combinação de otimização de torque eficaz e adaptação humana a uma ampla variedade de padrões de torque que são classificados no processo.
Os autores do trabalho científico sugerem que, dessa maneira, é possível acelerar o retorno de habilidades motoras completas para pacientes nos quais essas habilidades são prejudicadas, por exemplo, após um acidente vascular cerebral. A variabilidade do torque do exoesqueleto fornecerá um ambiente de aprendizado variável, no qual as habilidades do paciente se recuperarão muito mais rapidamente. É como correr em terrenos acidentados, que treinam as pernas muito melhor do que correr em uma esteira plana. Em vez de caminhar com o mesmo esforço todos os dias, uma pessoa terá que se adaptar, mudar a velocidade e o esforço: este será um exercício verdadeiramente eficaz.
Além disso, os cientistas planejam fazer outra tarefa. Se agora o objetivo principal era salvar o equilíbrio metabólico (isto é, economia de energia banal) ao caminhar, então no futuro eles poderão definir um novo objetivo para a otimização: velocidade. Nos últimos anos, estudos científicos mostraram que exoesqueletos podem realmente aumentar a velocidade da pessoa média ao caminhar. É hora de verificar se isso pode ser feito sem comprometer o equilíbrio metabólico.
De qualquer forma, o exoesqueleto interativo, que monitora a respiração do caminhante e seu equilíbrio metabólico, age de acordo com um determinado programa - não é esse o futuro? Mesmo uma pessoa saudável não recusaria esse dispositivo. Por exemplo, no modo normal, o exoesqueleto simplesmente facilita sua caminhada. Mas se você estiver atrasado para uma reunião, pressione o botão Turbo e o exoesqueleto começará a funcionar no modo de prioridade de velocidade.
O artigo científico foi
publicado na revista
Science em 23 de junho de 2017 (doi: 10.1126 / science.aan5367).