Durante anos, o Laboratório de Biomecatrônica de Stanford conquistou a imaginação com seus emuladores de exoesqueleto – dispositivos robóticos baseados em laboratório que ajudam os usuários a andar e correr mais rápido, com menos esforço. Agora, esses pesquisadores vão virar a cabeça no “selvagem” com seu primeiro exoesqueleto sem amarras, apresentado em um artigo publicado em 12 de outubro na Nature.
“Esse exoesqueleto personaliza a assistência à medida que as pessoas caminham normalmente pelo mundo real”, disse Steve Collins, professor associado de engenharia mecânica que lidera o Laboratório de Biomecatrônica de Stanford. “E isso resultou em melhorias excepcionais na velocidade de caminhada e economia de energia.”
Esta “bota robótica” tem um motor que trabalha com os músculos da panturrilha para dar ao usuário um impulso extra a cada passo. Mas, ao contrário de outros exoesqueletos por aí, esse impulso é personalizado graças a um modelo baseado em machine learning que foi treinado ao longo de anos de trabalho usando emuladores.
“Em uma esteira, nosso dispositivo fornece duas vezes a economia de energia dos exoesqueletos anteriores”, disse Patrick Slade, que trabalhou no exoesqueleto como Ph.D. estudante e bolsista de pós-doutorado da Wu Tsai Human Performance Alliance em Stanford. “No mundo real, isso se traduz em economia significativa de energia e melhorias na velocidade de caminhada.”
O objetivo final é ajudar as pessoas com deficiências de mobilidade, principalmente os idosos, a se deslocarem pelo mundo como quiserem. Com este último avanço, a equipe de pesquisa acredita que a tecnologia está pronta para comercialização nos próximos anos.
“A primeira vez que você coloca um exoesqueleto pode ser um pouco de ajuste”, disse Ava Lakmazaheri, estudante de pós-graduação do Laboratório de Biomecatrônica que usou o exoesqueleto em testes. “Mas, honestamente, nos primeiros 15 minutos de caminhada, começa a parecer bastante natural. Andar com os exoesqueletos literalmente parece que você tem uma mola extra em seu passo.
Exoesqueletos para o mundo real
A principal barreira para um exoesqueleto eficaz no passado era a individualização. “A maioria dos exoesqueletos são projetados usando uma combinação de intuição ou biomimética, mas as pessoas são muito complicadas e diversas para que isso funcione bem”, explicou Collins.
Para resolver esse problema, esse grupo confiou em seus emuladores de exoesqueleto – grandes, imóveis e caros configurações de laboratório que podem testar rapidamente a melhor forma de ajudar as pessoas e descobrir os projetos de dispositivos portáteis eficazes para uso fora do laboratório. Com estudantes e voluntários conectados aos emuladores, os pesquisadores coletaram dados de movimento e gasto de energia para entender como a maneira como uma pessoa anda com o exoesqueleto se relaciona com a quantidade de energia que está usando.
Esses dados revelaram os benefícios relativos dos diferentes tipos de assistência oferecidos pelo emulador. Ele também informou um modelo de machine learning que o exoesqueleto do mundo real agora usa para se adaptar a cada usuário. Ao contrário do emulador, o exoesqueleto não amarrado pode monitorar o movimento usando apenas sensores vestíveis de baixo custo integrados à bota.
“Medimos a força e o movimento do tornozelo através dos wearables para fornecer assistência precisa”, disse Slade. “Ao fazer isso, podemos controlar cuidadosamente o dispositivo enquanto as pessoas caminham e ajudá-las de maneira segura e discreta”.
Um impulso de 30 libras
O exoesqueleto facilita a caminhada e pode aumentar a velocidade aplicando torque no tornozelo, substituindo parte da função do músculo da panturrilha. À medida que os usuários dão um passo, pouco antes de seus dedos dos pés estarem prestes a deixar o chão, o dispositivo os ajuda a empurrar.
Quando uma pessoa está usando o exoesqueleto pela primeira vez, ele fornece um padrão de assistência ligeiramente diferente cada vez que a pessoa anda. Ao medir o movimento resultante, o modelo de machine learning determina como ajudar melhor a pessoa na próxima vez que ela caminhar. Leva apenas cerca de uma hora de caminhada para que o exoesqueleto seja personalizado para um novo usuário.
Nos testes, os pesquisadores descobriram que seu exoesqueleto superou suas expectativas. De acordo com seus cálculos, a economia de energia e o aumento de velocidade eram equivalentes a “tirar uma mochila de 30 libras”.
“A assistência otimizada permitiu que as pessoas andassem 9% mais rápido com 17% menos energia gasta por distância percorrida, em comparação com andar com sapatos normais. Essas são as maiores melhorias na velocidade e energia da caminhada econômica de qualquer exoesqueleto até hoje”, disse Collins. “Em comparações diretas em uma esteira, nosso exoesqueleto fornece cerca de duas vezes a redução no esforço dos dispositivos anteriores.”
O próximo passo para o exoesqueleto é ver o que ele pode fazer para o público-alvo: adultos mais velhos e pessoas que estão começando a sofrer declínio na mobilidade devido à deficiência. Os pesquisadores também planejam projetar variações que melhorem o equilíbrio e reduzam a dor nas articulações, e trabalhar com parceiros comerciais para transformar o dispositivo em um produto.
“Esta é a primeira vez que vimos um exoesqueleto fornecer economia de energia para usuários do mundo real”, disse Slade. “Acredito que na próxima década veremos essas ideias de assistência personalizada e exoesqueletos portáteis eficazes ajudar muitas pessoas a superar desafios de mobilidade ou manter sua capacidade de viver vidas ativas, independentes e significativas”.
“Estamos trabalhando para esse objetivo há cerca de 20 anos e, honestamente, estou um pouco surpreso por finalmente termos conseguido fazê-lo”, disse Collins. “Eu realmente acho que essa tecnologia vai ajudar muitas pessoas.”
Publicado em 13/10/2022 12h55
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