El exoesqueleto del tobillo permite caminar más rápido
Crédito: Universidad de Stanford
Ser incapaz de caminar rápido puede ser frustrante y problemático, pero es un problema común, especialmente a medida que las personas envejecen. Al notar la omnipresencia de caminar más lento de lo deseado, los ingenieros de la Universidad de Stanford probaron qué tan bien desarrollaron un prototipo de sistema de exoesqueleto que se adhiere alrededor de la espinilla y en un zapato para correr aumentó la velocidad de caminata autoseleccionada de las personas en un entorno experimental.
El exoesqueleto está 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 y 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 asistencia del exoesqueleto, pero nos sorprendió mucho encontrar un mejora», dijo Steve Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica en Stanford y autor principal del artículo. «Cuarenta% es enorme».
Para este conjunto inicial de experimentos, los participantes eran adultos jóvenes y saludables. Dados sus impresionantes resultados, los investigadores planean realizar pruebas futuras con adultos mayores y buscar otras formas en que se puede mejorar el diseño del exoesqueleto. También esperan crear eventualmente un exoesqueleto que pueda funcionar fuera del laboratorio, aunque ese objetivo aún está lejos.
«Mi misión de investigación es comprender la ciencia de la biomecánica y el control motor detrás de la locomoción humana y aplicar eso para mejorar el rendimiento físico de los humanos en la vida diaria», dijo 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».
Walking in the loop
El sistema de exoesqueleto de tobillo probado en esta investigación es un emulador experimental que sirve como banco de pruebas para probar diferentes diseños. Tiene un marco que se ajusta alrededor de la parte superior de la espinilla y en un zapato para correr integrado que usa el participante. Está unido a grandes motores que se encuentran al lado de la superficie para caminar y tiran de una cuerda que corre a lo largo de la parte posterior del exoesqueleto. Controlada por un algoritmo, la correa tira del talón del usuario hacia arriba, ayudándolo a apuntar con la punta del pie hacia abajo mientras empuja el suelo.
Para este estudio, los investigadores hicieron que 10 participantes caminaran con cinco modos diferentes de operación. Caminaron con 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 despacio. En todas las pruebas, los participantes caminaron en una caminadora que se adapta a su velocidad.
En las pruebas de laboratorio, los investigadores encontraron que un sistema de exoesqueleto de tobillo optimizado aumentó la velocidad de caminata de los participantes en aproximadamente un 40 por ciento en comparación con su velocidad habitual. Los investigadores esperan algún día ayudar a restaurar la velocidad al caminar en los adultos mayores. Crédito: Universidad de Stanford
El modo que se optimizó para la velocidad, lo que resultó en un aumento del 42 % en el ritmo al caminar, se creó a través de un proceso humano en el circuito. Un algoritmo ajustaba 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 funcionamiento de velocidad optimizada tomó alrededor de 150 rondas de ajuste y dos horas por persona.
Además de aumentar considerablemente la velocidad al caminar, el modo de velocidad optimizada también redujo el uso de energía, en aproximadamente un 2 % por persona. metro recorrido. Sin embargo, ese resultado varió ampliamente de una persona a otra, lo cual es algo esperado, dado que no fue una característica intencional de ese modo de exoesqueleto.
«El estudio fue diseñado para responder específicamente a la pregunta científica sobre cómo aumentar el caminar velocidad», dijo Song. «No nos preocupamos demasiado por las 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». .»
La configuración que se optimizó específicamente para el uso de energía se tomó prestada de un experimento anterior. En el estudio actual, este modo disminuyó el uso de energía más que la configuración de velocidad optimizada, pero no aumentó tanto la velocidad. Según lo previsto, el modo placebo ralentizó a los participantes y aumentó su uso de energía.
Mejor, más rápido, más fuerte
Ahora que los investigadores han logrado una asistencia de velocidad tan significativa, planean enfocarse las versiones futuras del emulador de exoesqueleto de tobillo reducen el uso de energía de manera constante entre los usuarios, al mismo tiempo que son más cómodos.
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 caminata similares con adultos mayores y esperan que también brinden resultados alentadores.
«Un aumento del 40 % en la velocidad es más que la diferencia entre los adultos más jóvenes y los adultos mayores», dijo Collins. «Por lo tanto, es posible que dispositivos como este no solo puedan restaurar sino mejorar la velocidad de marcha autoseleccionada para personas mayores y eso es algo que estamos ansiosos por probar a continuación».
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Ingenieros encuentran ayudas de exoesqueleto de tobillo corriendo Más información: Seungmoon Song et al. Optimización de la asistencia del exoesqueleto para una marcha autoseleccionada más rápida, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering (2021). DOI: 10.1109/TNSRE.2021.3074154 Proporcionado por la Universidad de Stanford Cita: El exoesqueleto del tobillo permite caminar más rápido (23 de abril de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-04- ankle-exoskeleton-enables-faster.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.