Gli ingegneri hanno scoperto che gli esoscheletri della caviglia possono aumentare significativamente la velocità di deambulazione

Nei test di laboratorio, i ricercatori hanno scoperto che un sistema esoscheletrico della caviglia migliorato ha aumentato la velocità di deambulazione dei partecipanti di circa il 40% rispetto alla loro velocità normale. Un giorno, i ricercatori sperano di aiutare a ripristinare la velocità di deambulazione negli anziani. Guarda il video Qui.

Scritto da Taylor Kubota

L’incapacità di camminare velocemente può essere frustrante e problematica, ma è un problema comune, soprattutto quando le persone invecchiano. Notando che la prevalenza della camminata lenta è più del necessario, gli ingegneri della Stanford University hanno testato quanto bene un sistema di esoscheletro modulare che hanno sviluppato – che poggia intorno alla gamba e nella scarpa da corsa – aumenti la velocità di camminata auto-selezionata delle persone in un esperimento. Impostazioni.

L’esoscheletro è azionato da motori e controllato da un algoritmo. Quando i ricercatori lo hanno migliorato per la velocità, i partecipanti hanno camminato, in media, il 42% più velocemente di quando indossavano scarpe normali e senza esoscheletro. I risultati di questo studio sono stati pubblicati 20 aprile In IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.

“Speravamo di poter aumentare la nostra velocità di camminata con l’aiuto dell’esoscheletro, ma siamo rimasti davvero sorpresi di trovare un miglioramento così enorme”, Steve Collins, Professore associato di ingegneria meccanica presso la Stanford University e autore senior dell’articolo. “Il quaranta per cento è enorme.”

In questa prima serie di prove, i partecipanti erano adulti giovani e sani. Dati i loro risultati impressionanti, i ricercatori hanno in programma di condurre test futuri con gli anziani e cercare altri modi in cui possono migliorare il design del loro esoscheletro. Sperano anche di creare alla fine un esoscheletro che possa funzionare al di fuori del laboratorio, anche se tale obiettivo rimane molto lontano.

“La mia missione di ricerca è comprendere la biomeccanica e il controllo cinematico alla base del movimento umano e applicarli per migliorare le prestazioni fisiche di un essere umano nella vita di tutti i giorni”, ha detto Seungmoon Song, borsista post-dottorato in ingegneria meccanica e autore principale dell’articolo. “Penso che gli esoscheletri siano strumenti molto promettenti che possono ottenere questo miglioramento nella qualità fisica della vita”.

Cammina nel ciclo

Il sistema esoscheletrico della caviglia testato in questo documento è un simulatore sperimentale che funge da simulatore di test per provare diversi progetti. Ha un telaio che si attacca alla parte superiore della gamba e in una scarpa da corsa incorporata che il partecipante indosserà. Sono attaccati a grandi motori che si trovano accanto al ponte pedonale e tirano una fune che corre lungo la parte posteriore dell’esoscheletro. Controllata da un algoritmo, la corda solleva il tallone di chi lo indossa, aiutandolo a guidare la punta del piede verso il basso mentre lo spinge da terra.

In questo studio, i ricercatori hanno avuto 10 partecipanti che percorrevano cinque diversi percorsi del processo. Hanno camminato con scarpe normali senza l’esoscheletro, con l’esoscheletro spento e sull’esoscheletro in tre diverse modalità: ottimizzata per la velocità, ottimizzata per l’uso di energia e una modalità placebo modificata per farli camminare più lentamente. Per tutti i test, i partecipanti hanno camminato su un tapis roulant che si adattava alla loro velocità.

La modalità ottimizzata per la velocità, che ha comportato un aumento del 42% della velocità di camminata, è stata creata dall’operazione di un essere umano sul ring. Un algoritmo ha modificato ripetutamente le impostazioni dell’esoscheletro mentre l’utente correva, con l’obiettivo di migliorare la velocità dell’utente con ogni regolazione. La ricerca della modalità operativa ottimizzata per la velocità ha richiesto circa 150 round di messa a punto e 2 ore a persona.

Oltre ad aumentare in modo significativo la velocità di camminata, la modalità di velocità avanzata ha anche ridotto il consumo di energia, di circa il 2% per ogni metro percorso. Tuttavia, questo risultato variava ampiamente da persona a persona, il che è abbastanza prevedibile, dato che non era una caratteristica prevista di questo posizionamento dell’esoscheletro.

“Lo studio è progettato per rispondere in modo specifico alla domanda scientifica di aumentare la velocità di deambulazione”, ha detto Song. “Non abbiamo prestato molta attenzione ad altre metriche delle prestazioni, come il comfort o l’energia. Tuttavia, sette partecipanti su 10 non solo hanno camminato più velocemente, ma hanno consumato meno energia, il che mostra davvero quanto gli esoscheletri possano aiutare le persone in modo efficace”.

Le impostazioni ottimizzate in modo specifico per l’utilizzo di energia vengono prese in prestito da un’esperienza precedente. Nello studio attuale, questa modalità ha ridotto il consumo di energia più delle impostazioni ottimizzate per la velocità, ma non ha aumentato la velocità così tanto. Come previsto, posizionare il placebo ha rallentato i partecipanti e aumentato il loro consumo di energia.

Migliore, più veloce, più forte

Ora che i ricercatori hanno un così grande aiuto per la velocità, hanno in programma di concentrare le future versioni del simulatore di esoscheletro della caviglia sulla riduzione continua del consumo di energia tra gli utenti, sentendosi anche più a proprio agio.

Quando si pensa specificamente agli anziani, Collins e il suo laboratorio si chiedono se i progetti futuri possano ridurre il dolore dovuto al peso sulle articolazioni o migliorare l’equilibrio. Hanno in programma di condurre test dell’andatura simili con adulti più anziani e sperano di fornire anche risultati incoraggianti.

“L’aumento della velocità del 40 per cento è più della differenza tra adulti più giovani e anziani”, ha detto Collins. “Pertanto, è possibile che dispositivi come questo non solo ripristinino, ma migliorino la velocità di deambulazione auto-selezionata delle persone anziane, e questo è qualcosa che siamo felici di testare in seguito”.

Collins è anche un membro del Stanford BioX. Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e dal National Institutes of Health.