Ingenieros de la Universidad de Stanford (EE UU) han desarrollado un exoesqueleto de tobillo capaz de adaptarse a cada persona, de tal forma que pueda andar a mayor velocidad y gastar menos energía. El prototipo se ha probado con éxito en condiciones reales, en la calle, y supone un nuevo paso hacia los futuros dispositivos de marcha asistida que podrán utilizar personas con problemas de movilidad.
Los exoesqueletos que ayudan a mover las piernas, aumentando la velocidad de la marcha y reduciendo la energía necesaria, pueden ser útiles para personas con problemas de movilidad, entre otras aplicaciones. Los beneficios de estos dispositivos se han demostrado, sobre todo, dentro de los laboratorios con cintas de correr, pero no en condiciones reales, donde la velocidad y la duración de la caminata son variables.
Ahora, bioingenieros de la Universidad de Stanford en California (EE UU) han fabricado una ‘bota’ exoesquelética que se adapta a cada usuario para que este pueda caminar más rápido y eficazmente en la calle, en condiciones reales. Los resultados de su estudio, que publican en la revista Nature, muestran un nuevo enfoque en el diseño de sistemas robóticos ‘vestibles’ y su potencial para que en el futuro se puedan utilizar en la vida cotidiana.
El dispositivo pesa 1,2 kg por tobillo y cuenta, entre otros componentes, con sensores portátiles de bajo coste, sistemas de transmisión de fuerzas e información, y baterías que se colocan en la cintura de los usuarios, además de un novedoso modelo de gestión de datos con inteligencia artificial.
“Uno de los avances de nuestro trabajo fue el desarrollo de un modelo de aprendizaje automático que utiliza los datos de los sensores portátiles del exoesqueleto (ángulo del tobillo, su velocidad y esfuerzo de torsión aplicado) para determinar cuál era el mejor patrón de asistencia al utilizar nuestro dispositivo”, explica a SINC el autor principal, Patrick Slade.
El exoesqueleto de tobillo portátil consta de (1) una batería que se lleva en la cintura, (2) un motor, un tambor y una cuerda de transmisión, (3) un sistema electrónico para recibir los datos de los sensores, mandar órdenes al motor y realizar la optimización, (4) una estructura de fibra de carbono y aluminio para transmitir las fuerzas, (5) zapatillas normales y (6) una correa en la pantorrilla para transferir las fuerzas al cuerpo. / Universidad de Stanford/Kurt Hickman / P. Slade et al./Nature
El modelo compara cambios de movimiento entre distintas condiciones de asistencia para ver cuáles son las mejores, prueba otras similares a estas y repite el proceso varias veces hasta dar con la que se adapta mejor a las características de la marcha de cada usuario. “Este enfoque converge lentamente en lo que el dispositivo considera que es el mejor patrón de asistencia para cada persona”, afirma el ingeniero.
Los resultados de este nuevo método no solo igualan en eficacia al de los sistemas tradicionales empleados en los laboratorios para optimizar los exoesqueletos, sino que lo hace cuatro veces más rápido. Además, diversos voluntarios –algunos equipados con ‘respirómetros’ para medir también su intercambio de oxígeno y CO2 en cada respiración– lo probaron con éxito en el campus de la universidad.
Con la asistencia del exoesqueleto optimizada para el mundo real, el coste energético de la caminata se redujo en un 17 % y la velocidad de marcha aumentó en un 9 % (unos 0,12 metros por segundo más) en comparación con llevar solo el calzado normal. Este ahorro energético es equivalente a quitarse de encima una mochila de 9,2 kg.
“Hasta ahora, ningún exoesqueleto ha demostrado beneficios en el mundo real en cuanto a la reducción de la energía necesaria para caminar o el aumento de la velocidad de la marcha”, destaca Slade, “y esto se debe a que es increíblemente difícil ayudar a los humanos a caminar debido a nuestro diseño muscular, tendinoso y esquelético altamente evolucionado y especializado, que hace que el movimiento sea muy eficiente”.
De momento este prototipo se ha evaluado con personas jóvenes y sanas por temas de seguridad, pero los autores confían en que versiones mejoradas puedan ser útiles para otras con dificultades para andar, de edades avanzadas o en trabajos físicamente exigentes, aunque se requerirán estudios adicionales.
“Los dispositivos de asistencia como este podrían proporcionar una mayor independencia a las personas con problemas de movilidad, como los ancianos o con enfermedades musculares, y ya hemos empezado a estudiarlo”, comenta Slade, “y también podemos usar las mismas ideas para mejorar la colaboración entre humanos y robots en una amplia gama de tareas (trabajo en fábricas, vida asistida, cirugía, etc.), utilizando modelos basados en datos que optimicen las respuestas robóticas a los movimientos humanos”.
Los dispositivos de asistencia como este podrían proporcionar mayor independencia a las personas con problemas de movilidad, y también podríamos usarlos para mejorar la colaboración entre humanos y robots en multitud de tareas
“Los principales retos a los que nos enfrentamos ahora son realizar experimentos con poblaciones clínicas específicas para determinar cuál será la asistencia más eficaz para ellas –añade–. Después, tendremos que trabajar con socios comerciales para traducir esta tecnología en dispositivos que se puedan comprar y utilizar a diario. Aunque nuestro prototipo de investigación es funcional, necesita mucho trabajo de ingeniería para convertirse en un producto robusto en la vida cotidiana”.
En un artículo paralelo, publicado también en Nature, el investigador Carlos Rodríguez de la Universidad KU Leuven (Bélgica) valora este trabajo: “Los avances que se presentan son significativos ya que se propone un método relativamente simple que permite adaptar el comportamiento del exoesqueleto al usuario, obteniendo información de su uso en el día a día, en lugar de estar confinado a complicados métodos en laboratorios altamente especializados”.
“La naturaleza de este método –concluye–, permite que el dispositivo se adapte de una manera más natural y rápida a las diferencias en la marcha presentes en cada uno de nosotros. Esta disminución en complejidad, viene acompañada de la promesa de acercar esta tecnología cada vez más a los usuarios finales y un poco más a un futuro en donde los dispositivos biónicos estén disponibles para mejorar nuestra calidad de vida”.
Entrenamiento de un exoesqueleto de piernas dentro del laboratorio (izquierda) y fuera, en el mundo real (derecha). / C. Rodriguez-Guerrero adaptado de P. Slade et al./Nature
Referencia:
Patrick Slade et al.: "Personalizing exoskeleton assistance while walking in the real world". Carlos Rodriguez-Guerrero: "A walk in the wild helps to tailor leg exoskeletons". Nature, 2022
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