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  • Engenheiros encontram exoesqueletos de tornozelo em execução

    A estudante de graduação Delaney Miller corre em uma esteira com a ajuda de um emulador de exoesqueleto de tornozelo. O aluno de pós-graduação Guan Rong Tan controla o emulador e monitora o andar e a respiração de Miller. Crédito:Farrin Abbott

    Correr é um ótimo exercício, mas nem todo mundo se sente bem fazendo isso. Na esperança de aumentar a atividade física - e possivelmente criar um novo meio de transporte - os engenheiros da Universidade de Stanford estão estudando dispositivos que as pessoas podem prender às pernas para facilitar a corrida.

    Em experimentos com sistemas movidos a motor que imitam tais dispositivos - chamados emuladores de exoesqueleto - os pesquisadores investigaram dois modos diferentes de assistência de funcionamento:assistência movida a motor e assistência baseada em mola. Os resultados, publicado em 25 de março em Ciência Robótica , foram surpreendentes.

    O mero ato de usar um equipamento de exoesqueleto que foi desligado aumentou o custo de energia para correr, tornando-o 13% mais difícil do que correr sem o exoesqueleto. Contudo, os experimentos indicaram que, se devidamente alimentado por um motor, o exoesqueleto reduziu o custo de energia de funcionamento, tornando-o 15% mais fácil do que correr sem o exoesqueleto e 25% mais fácil do que correr com o exoesqueleto desligado.

    Em contraste, o estudo sugeriu que, se o exoesqueleto fosse alimentado para imitar uma mola, ainda haveria um aumento na demanda de energia, tornando-o 11 por cento mais difícil do que correr sem exoesqueleto e apenas 2 por cento mais fácil do que o exoesqueleto não motorizado.

    "Quando as pessoas correm, suas pernas se comportam muito como uma mola, por isso, ficamos muito surpresos que a assistência tipo mola não foi eficaz, "disse Steve Collins, professor associado de engenharia mecânica em Stanford e autor sênior do artigo. "Todos nós temos uma intuição sobre como corremos ou andamos, mas mesmo os principais cientistas ainda estão descobrindo como o corpo humano permite que nos movamos com eficiência. É por isso que experimentos como esses são tão importantes."

    Se projetos futuros pudessem reduzir o custo de energia do uso do exoesqueleto, corredores podem obter um pequeno benefício de assistência semelhante a uma mola no tornozelo, que se espera seja mais barato do que as alternativas movidas a motor.

    Vídeo de teste de exoesqueleto de tornozelo. Crédito:Witte et al., Sci. Robô. 5, eaay9108 (2020)

    Potenciando seu passo

    A estrutura das tiras do emulador de exoesqueleto de tornozelo ao redor da canela do usuário. Ele se conecta ao sapato com uma corda enrolada sob o calcanhar e uma barra de fibra de carbono inserida na sola, perto do dedo do pé. Motores situados atrás da esteira (mas não no próprio exoesqueleto) produzem os dois modos de assistência - embora um exoesqueleto baseado em mola não usasse motores no produto final.

    Como o nome implica, o modo de mola imita a influência de uma mola correndo paralela à panturrilha, armazenar energia durante o início da etapa e descarregar essa energia quando os dedos dos pés empurram. No modo alimentado, os motores puxam um cabo que passa pela parte de trás do exoesqueleto, do calcanhar à panturrilha. Com ação semelhante a um cabo de freio de bicicleta, ele puxa para cima durante a descida para ajudar a estender o tornozelo no final de uma corrida.

    "A assistência elétrica tirou grande parte da carga de energia dos músculos da panturrilha. Era muito elástica e muito saltitante em comparação com a corrida normal, "disse Delaney Miller, um estudante de graduação em Stanford que está trabalhando nesses exoesqueletos e também ajudando a testar os dispositivos. "Falando por experiência própria, isso é muito bom. Quando o dispositivo está fornecendo essa assistência, você sente que pode correr para sempre. "

    Onze corredores experientes testaram os dois tipos de assistência enquanto corriam em uma esteira. Eles também concluíram os testes em que usaram o hardware sem nenhum dos mecanismos de assistência ativados.

    Cada corredor teve que se acostumar com o emulador de exoesqueleto antes do teste - e sua operação foi personalizada para acomodar seu ciclo de marcha e fases. Durante os testes reais, os pesquisadores mediram a produção energética dos corredores por meio de uma máscara que monitorava a quantidade de oxigênio que eles inspiravam e a quantidade de dióxido de carbono que estavam expirando. Os testes para cada tipo de assistência duraram seis minutos e os pesquisadores basearam seus achados nos últimos três minutos de cada exercício.

    A economia de energia observada pelos pesquisadores indica que um corredor usando o exoesqueleto motorizado pode aumentar sua velocidade em até 10%. Esse número pode ser ainda maior se os corredores tiverem tempo adicional para treinamento e otimização. Dados os ganhos consideráveis ​​envolvidos, os pesquisadores acham que deveria ser possível transformar o esqueleto motorizado em um dispositivo efetivo sem amarras.

    Configuração experimental e projeto do exoesqueleto do tornozelo. O exoesqueleto do tornozelo é preso ao usuário por uma tira acima da panturrilha, uma corda no salto do sapato, e uma placa de fibra de carbono embutida na ponta do sapato. Um codificador magnético mede o ângulo do tornozelo. Os dados metabólicos do participante são coletados por meio de um sistema respiratório medindo o conteúdo de oxigênio e dióxido de carbono do participante. Crédito:Witte et al., Sci. Robô. 5, eaay9108 (2020)

    O futuro

    Ao fornecer suporte físico, confiança e possivelmente maior velocidade, os pesquisadores acham que esse tipo de tecnologia pode ajudar as pessoas de várias maneiras.

    "Você quase pode pensar nisso como um meio de transporte, "disse Guan Rong Tan, um estudante de graduação em engenharia mecânica que, como Miller, está continuando esta pesquisa. "Você poderia descer de um ônibus, tapa em um exoesqueleto, e cobrir os últimos dois ou três quilômetros para trabalhar em cinco minutos sem suar a camisa. "

    "Estas são as maiores melhorias na economia de energia que vimos em qualquer dispositivo usado para auxiliar o funcionamento, "disse Collins." Então, você provavelmente não será capaz de usar isso para um tempo de qualificação em uma corrida, mas pode permitir que você acompanhe seus amigos que correm um pouco mais rápido do que você. Por exemplo, meu irmão mais novo correu a Maratona de Boston e eu adoraria poder acompanhá-lo. "


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