Entre caminhar em um ritmo vagaroso e correr para salvar sua vida, andamentos humanos podem cobrir uma ampla gama de velocidades. Tipicamente, escolhemos a marcha que nos permite consumir a menor quantidade de energia em uma determinada velocidade. Por exemplo, em baixas velocidades, a taxa metabólica da caminhada é menor do que a de uma corrida lenta; vice-versa em altas velocidades, a taxa metabólica da corrida é menor do que a caminhada rápida.

Pesquisadores em laboratórios acadêmicos e industriais já desenvolveram dispositivos robóticos para reabilitação e outras áreas da vida que podem ajudar a caminhar ou correr, mas nenhum dispositivo portátil sem fio poderia fazer as duas coisas com eficiência. Assistir a caminhada e corrida com um único dispositivo é um desafio devido à biomecânica fundamentalmente diferente das duas andadas. Contudo, ambos os passos têm em comum uma extensão da articulação do quadril, que começa por volta do momento em que o pé entra em contato com o solo e requer uma energia considerável para impulsionar o corpo para a frente.

Conforme relatado hoje em Ciência , uma equipe de pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS), e a University of Nebraska Omaha agora desenvolveu um exosuit portátil que auxilia na extensão do quadril específica para marcha durante a caminhada e a corrida. Seu exosuit leve é ​​feito de componentes têxteis usados ​​na cintura e nas coxas, e um sistema de acionamento móvel conectado à parte inferior das costas que é controlado por um algoritmo que pode detectar de forma robusta a transição do caminhar para a corrida e vice-versa.

A equipe mostrou pela primeira vez que o exosuit usado pelos usuários em testes internos baseados em esteira, na média, reduziram suas taxas metabólicas de caminhada em 9,3% e de corrida em 4% em comparação com quando estavam andando e correndo sem o dispositivo. "Ficamos entusiasmados em ver que o dispositivo também funcionou bem durante caminhadas em aclives, em diferentes velocidades de operação e durante o teste de superfície externo, que mostrou a versatilidade do sistema, "disse Conor Walsh, Ph.D., quem conduziu o estudo. Walsh é membro do corpo docente do Wyss Institute, o Professor Gordon McKay de Engenharia e Ciências Aplicadas do SEAS, e fundador do Harvard Biodesign Lab. "Embora as reduções metabólicas que encontramos sejam modestas, nosso estudo demonstra que é possível ter um robô portátil vestível auxiliando mais do que apenas uma única atividade, ajudando a pavimentar o caminho para que esses sistemas se tornem onipresentes em nossas vidas, "disse Walsh.

O exo fato de quadril foi desenvolvido como parte do antigo programa Warrior Web da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e é o resultado de anos de pesquisa e otimização da tecnologia de exosuit macio pela equipe. Um exosuit anterior multiarticular desenvolvido pela equipe pode ajudar o quadril e o tornozelo durante a caminhada, e uma versão médica do exosuit que visa melhorar a reabilitação da marcha para sobreviventes de AVC já está disponível comercialmente nos EUA e na Europa, através de uma colaboração com ReWalk Robotics.

O exosuit para auxílio do quadril mais recente da equipe foi projetado para ser mais simples e mais leve em comparação com o exosuit multiarticular anterior. Ele auxilia o usuário por meio de um sistema de acionamento por cabo. Os cabos de atuação aplicam uma força de tração entre o cinto e os envoltórios da coxa para gerar um torque de extensão externa na articulação do quadril que funciona em conjunto com os músculos glúteos. O dispositivo pesa 5 kg no total, com mais de 90% de seu peso localizado próximo ao centro de massa do corpo. "Esta abordagem para concentrar o peso, combinado com a interface de vestuário flexível minimiza a carga energética e restrição de movimento para o usuário, "disse o coautor Jinsoo Kim, um estudante de pós-graduação SEAS no grupo de Walsh. "Isso é importante para caminhar, mas ainda mais para correr enquanto os membros se movem para frente e para trás muito mais rápido. "Kim compartilhou a primeira autoria com Giuk Lee, Ph.D., um ex-bolsista de pós-doutorado na equipe de Walsh e agora professor assistente na Chung-Ang University em Seul, Coreia do Sul.

Um grande desafio que a equipe teve que resolver foi que o exosuit precisava ser capaz de distinguir entre andadas de caminhada e corrida e alterar seus perfis de atuação de acordo com a quantidade certa de assistência fornecida no momento certo do ciclo da marcha.

Para explicar as diferentes cinéticas durante os ciclos de marcha, os biomecânicos freqüentemente comparam o caminhar aos movimentos de um pêndulo invertido e a corrida aos movimentos de um sistema de massa de mola. Durante a caminhada, o centro de massa do corpo se move para cima após o golpe do calcanhar, em seguida, atinge a altura máxima no meio da fase de apoio para descer em direção ao final da fase de apoio. Em execução, o movimento do centro de massa é oposto. Ele desce em direção a uma altura mínima no meio da fase de apoio e então se move para cima em direção ao push-off.

"Aproveitamos esses insights biomecânicos para desenvolver nosso algoritmo de classificação de marcha inspirado biologicamente, que pode detectar de forma robusta e confiável uma transição de uma marcha para a outra, monitorando a aceleração do centro de massa de um indivíduo com sensores conectados ao corpo, "disse o co-autor correspondente Philippe Malcolm, Ph.D., Professor Assistente da University of Nebraska Omaha. "Assim que uma transição de marcha for detectada, o exosuit ajusta automaticamente o tempo de seu perfil de atuação para auxiliar a outra marcha, como demonstramos por sua capacidade de reduzir o consumo de oxigênio metabólico em usuários. "

Em trabalho contínuo, a equipe está focada na otimização de todos os aspectos da tecnologia, incluindo redução adicional de peso, individualizando a assistência e melhorando a facilidade de uso. "É muito gratificante ver o quão longe nossa abordagem avançou, "disse Walsh, "e estamos entusiasmados em continuar a aplicá-lo em uma variedade de aplicações, incluindo ajudar aqueles com problemas de marcha, trabalhadores da indústria em risco de lesão realizando tarefas fisicamente extenuantes, ou guerreiros recreativos de fim de semana. "

"Este estudo inovador proveniente da plataforma Bioinspired Soft Robotics do Wyss Institute nos dá um vislumbre de um futuro onde dispositivos robóticos vestíveis podem melhorar a vida das pessoas saudáveis, bem como atender aqueles com lesões ou que precisam de reabilitação, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS, o Programa de Biologia Vascular do Hospital Infantil de Boston, e Professor de Bioengenharia do SEAS.