Exoesqueleto sai para o mundo real

Exoesqueleto de tornozelo sem amarras. a, Um participante andando em um ambiente comunitário usando o exoesqueleto. b, O exoesqueleto consiste em (1) uma bateria usada na cintura, (2) um motor, tambor e transmissão de corda para produzir torques auxiliares, (3) eletrônica para receber dados do sensor, comandar o motor e realizar a otimização, (4) ) uma estrutura de fibra de carbono e alumínio para transmitir forças, e (5) um sapato e (6) uma cinta de panturrilha para transferir forças para o corpo. c, O motor pode aplicar um torque de pico de 54 Nm ao caminhar a 1,5 m/s-1, suficiente para corresponder aos parâmetros de assistência otimizados identificados nos experimentos do emulador. Torques foram rastreados com precisão; a região sombreada representa a média ± um desvio padrão. d, A temperatura motora durante 30 min de caminhada com assistência máxima permaneceu bem abaixo do limite térmico de 75 °C. Um ajuste exponencial indicou uma temperatura de estado estacionário de 35,4 °C. Crédito: Natureza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05191-1

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.

Crédito: Universidade de Stanford

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”.

Diagrama de hardware eletromecânico de exoesqueleto não amarrado. Esses desenhos de projeto auxiliados por computador descrevem os elementos de hardware do exoesqueleto não amarrado. Os componentes primários são rotulados. Uma imagem de todo o dispositivo, incluindo componentes têxteis, pode ser encontrada na Fig. 4b. Um tênis de corrida (não ilustrado) é preso ao suporte do dedo do pé com pinos que se estendem da ponta do suporte do dedo do pé a uma placa de fibra de carbono embutida na sola do sapato. O calcanhar do tênis de corrida é preso ao esporão do calcanhar por uma corda (não ilustrada) amarrada em orifícios em ambos os lados do esporão do calcanhar e passando por um tubo de plástico embutido na sola do sapato. Um cabo de transmissão Vectran (não ilustrado) transmite a força do tambor para a ponta do esporão do calcâneo. Na parte superior do suporte da panturrilha, tiras de velcro (não ilustradas) são conectadas ao suporte através de ranhuras. Essas tiras aderem a uma tira de velcro separada (não ilustrada) usada na perna da perna, logo abaixo do joelho. Crédito: Natureza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05191-1

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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