Exotraje Adaptativo: Suporte Personalizado para Caminhada Cotidiana

As pessoas raramente caminham a uma velocidade constante e uma única inclinação. Mudamos de velocidade ao correr para o próximo compromisso, pegar um sinal de travessia ou dar um passeio casual no parque. As inclinações mudam o tempo todo também, seja indo para uma trilha ou subindo uma rampa em um prédio. Além da variabilidade ambiental, como caminhamos é influenciado por sexo, altura, idade e força muscular, e às vezes por distúrbios neurológicos ou musculares como AVC ou Doença de Parkinson.

Esta variabilidade humana e de tarefa é um grande desafio no design de robótica vestível para auxiliar ou aumentar a caminhada em condições do mundo real. Até hoje, personalizar a assistência robótica vestível à caminhada de um indivíduo requer horas de ajuste manual ou automático — uma tarefa tediosa para indivíduos saudáveis e muitas vezes impossível para idosos ou pacientes clínicos.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) desenvolveram uma nova abordagem na qual a assistência de exotraje robótico pode ser calibrada a um indivíduo e se adaptar a uma variedade de tarefas de caminhada do mundo real em questão de segundos. O sistema bioinspirado usa medições de ultrassom da dinâmica muscular para desenvolver um perfil de assistência personalizado e específico para a atividade para usuários do exotraje.

Tentativas bioinspiradas anteriores de desenvolver perfis de assistência individualizados para exotrajes robóticos focaram nos movimentos dinâmicos dos membros do usuário. Os pesquisadores da SEAS adotaram uma abordagem diferente.

Não há necessariamente um mapeamento direto entre o movimento dos membros e o dos músculos subjacentes que impulsionam seu movimento. Então, para estudar a dinâmica muscular, a equipe prendeu um sistema de ultrassom portátil nas panturrilhas dos participantes e filmou seus músculos enquanto realizavam uma série de tarefas de caminhada.

A partir dessas imagens pré-gravadas, eles estimaram a força assistiva a ser aplicada em paralelo com os músculos da panturrilha para compensar o trabalho adicional que precisam realizar durante a fase de impulso do ciclo de caminhada. O novo sistema precisa apenas de alguns segundos de caminhada — até mesmo uma única passada pode ser suficiente para capturar o perfil do músculo.

Para cada um dos perfis gerados por ultrassom, os pesquisadores mediram quanta energia metabólica a pessoa usava durante a caminhada com e sem o exotraje. Eles descobriram que a assistência baseada no músculo fornecida pelo exotraje reduziu significativamente a energia metabólica da caminhada em uma variedade de velocidades e inclinações.

O exotraje também aplicou força de assistência menor para alcançar o mesmo ou melhor benefício de energia metabólica do que foi registrado em estudos publicados anteriormente. “Medindo o músculo diretamente, podemos trabalhar mais intuitivamente com a pessoa usando o exotraje”, disse o estudante de graduação Sangjun Lee. “Com esta abordagem, o exotraje não está sobrepujando o usuário, está trabalhando cooperativamente com ele.” Quando testado em situações do mundo real, o exotraje foi capaz de se adaptar rapidamente a mudanças na velocidade e inclinação da caminhada.

Em seguida, a equipe de pesquisa visa testar o sistema fazendo ajustes constantes em tempo real.