Entre caminar a un ritmo pausado y correr por tu vida, La marcha humana puede cubrir una amplia gama de velocidades. Típicamente, elegimos el modo de andar que nos permite consumir la menor cantidad de energía a una velocidad determinada. Por ejemplo, a bajas velocidades, la tasa metabólica de caminar es menor que la de correr en un trote lento; viceversa a altas velocidades, la tasa metabólica de correr es menor que la de caminar rápido.

Investigadores de laboratorios académicos y de la industria han desarrollado previamente dispositivos robóticos para rehabilitación y otras áreas de la vida que pueden ayudar a caminar o correr. pero ningún dispositivo portátil sin ataduras podría hacer ambas cosas de manera eficiente. Ayudar a caminar y correr con un solo dispositivo es un desafío debido a la biomecánica fundamentalmente diferente de los dos modos de caminar. Sin embargo, Ambos pasos tienen en común una extensión de la articulación de la cadera, que comienza en el momento en que el pie entra en contacto con el suelo y requiere una energía considerable para impulsar el cuerpo hacia adelante.

Como se informó hoy en Ciencias , un equipo de investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS), y la Universidad de Nebraska Omaha ahora ha desarrollado un exotraje portátil que ayuda con la extensión de cadera específica para la marcha al caminar y correr. Su exotraje liviano está hecho de componentes textiles que se usan en la cintura y los muslos, y un sistema de actuación móvil adjunto a la zona lumbar que está controlado por un algoritmo que puede detectar de manera robusta la transición de caminar a correr y viceversa.

El equipo demostró por primera vez que el exotraje usado por los usuarios en pruebas en interiores en cinta rodante, de media, redujeron sus tasas metabólicas de caminar en un 9,3% y de correr en un 4% en comparación con cuando caminaban y corrían sin el dispositivo. "Estábamos emocionados de ver que el dispositivo también funcionaba bien al caminar cuesta arriba, a diferentes velocidades de funcionamiento y durante las pruebas en superficie al aire libre, que mostró la versatilidad del sistema, "dijo Conor Walsh, Doctor., quien dirigió el estudio. Walsh es miembro de la facultad central del Wyss Institute, el profesor Gordon McKay de ingeniería y ciencias aplicadas en SEAS, y Fundador del Harvard Biodesign Lab. "Si bien las reducciones metabólicas que encontramos son modestas, Nuestro estudio demuestra que es posible que un robot portátil ayude a más de una sola actividad, ayudando a allanar el camino para que estos sistemas se vuelvan omnipresentes en nuestras vidas, "dijo Walsh.

El exotraje de cadera fue desarrollado como parte del antiguo programa Warrior Web de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y es la culminación de años de investigación y optimización de la tecnología del exotraje blando por parte del equipo. Un exosuit de múltiples articulaciones desarrollado por el equipo podría ayudar tanto a la cadera como al tobillo durante la marcha, y una versión médica del exotraje destinada a mejorar la rehabilitación de la marcha para los sobrevivientes de un accidente cerebrovascular ahora está disponible comercialmente en los EE. UU. y Europa, a través de una colaboración con ReWalk Robotics.

El exotraje de ayuda a la cadera más reciente del equipo está diseñado para ser más simple y liviano en comparación con su exotraje de múltiples articulaciones anterior. Ayuda al usuario a través de un sistema de activación por cable. Los cables de actuación aplican una fuerza de tracción entre el cinturón y las envolturas de los muslos para generar un torque de extensión externo en la articulación de la cadera que trabaja en concierto con los músculos de los glúteos. El dispositivo pesa 5 kg en total con más del 90% de su peso ubicado cerca del centro de masa del cuerpo. "Este enfoque para concentrar el peso, combinado con la interfaz de ropa flexible minimiza la carga energética y la restricción de movimiento para el usuario, "dijo el co-primer autor Jinsoo Kim, estudiante de posgrado de SEAS en el grupo de Walsh. "Esto es importante para caminar, pero aún más para correr, ya que las extremidades se mueven hacia adelante y hacia atrás mucho más rápido ". Kim compartió la primera autoría con Giuk Lee, Doctor., ex becario postdoctoral en el equipo de Walsh y ahora profesor asistente en la Universidad Chung-Ang en Seúl, Corea del Sur.

Un desafío importante que el equipo tuvo que resolver fue que el exotraje debía poder distinguir entre los modos de caminar y correr y cambiar sus perfiles de actuación en consecuencia con la cantidad adecuada de asistencia brindada en el momento adecuado del ciclo de la marcha.

Para explicar las diferentes cinéticas durante los ciclos de la marcha, los biomecánicos a menudo comparan caminar con los movimientos de un péndulo invertido y correr con los movimientos de un sistema de resorte-masa. Al caminar, el centro de masa del cuerpo se mueve hacia arriba después del golpe del talón, luego alcanza la altura máxima a la mitad de la fase de apoyo para descender hacia el final de la fase de apoyo. En corriendo, el movimiento del centro de masa es opuesto. Desciende hacia una altura mínima en la mitad de la fase de apoyo y luego se mueve hacia arriba hacia el empuje.

"Aprovechamos estos conocimientos biomecánicos para desarrollar nuestro algoritmo de clasificación de la marcha inspirado biológicamente que puede detectar de manera robusta y confiable una transición de una forma de caminar a la otra al monitorear la aceleración del centro de masa de un individuo con sensores que están conectados al cuerpo, "dijo el coautor para correspondencia Philippe Malcolm, Doctor., Profesor asistente en la Universidad de Nebraska Omaha. "Una vez que se detecta una transición de la marcha, el exotraje ajusta automáticamente la sincronización de su perfil de actuación para ayudar al otro andar, como demostramos por su capacidad para reducir el consumo metabólico de oxígeno en los usuarios ".

En el trabajo en curso, el equipo se centra en optimizar todos los aspectos de la tecnología, incluyendo una mayor reducción de peso, individualizar la asistencia y mejorar la facilidad de uso. "Es muy satisfactorio ver lo lejos que ha llegado nuestro enfoque, "dijo Walsh, "y estamos entusiasmados de seguir aplicándolo a una amplia gama de aplicaciones, incluida la asistencia a las personas con problemas de la marcha, trabajadores de la industria en riesgo de lesiones al realizar tareas físicamente extenuantes, o guerreros de fin de semana recreativos ".

"Este innovador estudio que surge de la plataforma Bioinspired Soft Robotics del Wyss Institute nos da una idea de un futuro en el que los dispositivos robóticos portátiles pueden mejorar la vida de las personas sanas. así como atender a aquellos con lesiones o que necesiten rehabilitación, "dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS, el Programa de Biología Vascular del Boston Children's Hospital, y Catedrático de Bioingeniería en SEAS.