Robot indossabile per camminare e correre più facilmente

Un exosuit versatile e portatile che aiuta sia a camminare che a correre evidenzia il grande potenziale dei robot indossabili leggeri.

I ricercatori dei laboratori accademici e industriali hanno precedentemente sviluppato dispositivi robotici per la riabilitazione e altre applicazioni della vita che possono aiutare a camminare o correre, ma nessun dispositivo portatile non legato può fare entrambe le cose in modo efficiente. Assistere la deambulazione e la corsa con un singolo dispositivo rappresenta una sfida a causa della diversa biomeccanica fondamentalmente delle due andature. Tuttavia, entrambe le andature hanno in comune un'estensione dell'articolazione dell'anca, che inizia nel momento in cui il piede viene a contatto con il suolo e richiede una notevole energia per spingere il corpo in avanti.

Come riportato di recente da Science, (1) un team di ricercatori presso il Wyss Institute di Harvard per l'ingegneria biologicamente ispirata, la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e l'Università del Nebraska Omaha, ha sviluppato un dispositivo portatile che effettua il monitoraggio dell'andatura e dell'estensione specifica dell'anca durante la camminata e la corsa. Il loro leggero exosuit è costituito da componenti tessili indossati in vita e sulle cosce con un sistema di azionamento mobile attaccato alla parte bassa della schiena che è controllato da un algoritmo in grado di rilevare, con estrema precisione, il passaggio dalla semplice camminata alla corsa e viceversa.

Il team ha prima dimostrato che il dispositivo indossato dagli utenti nei test indoor basati su tapis roulant, in media, ha ridotto i loro tassi metabolici nella camminata del 9,3% e nella corsa del 4% rispetto a quando camminavano e correvano senza il dispositivo.

Il dottor Conor Walsh, Ph.D. (2) membro della Faculty Core del Wyss Institute, Gordon McKay, professore di ingegneria e scienze applicate presso il SEAS, fondatore dell'Harvard Biodesign Lab, promotore dello studio, spiega: “ci ha entusiasmato constatare che il dispositivo ha funzionato bene dimostrando la versatilità del sistema, anche durante le camminate in salita, a diverse velocità di marcia e durante i test fuori terra. Anche se le riduzioni metaboliche che abbiamo riscontrato sono modeste, il nostro studio dimostra che è possibile avere un robot portatile indossabile che assista più di una singola attività, contribuendo a spianare la strada a questi sistemi per diventare onnipresenti nelle nostre vite.”

L'exosuit dell'anca è stato sviluppato nell'ambito dell'ex programma Warrior Web della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) (3) ed è il risultato di anni di ricerca e ottimizzazione della tecnologia degli exosuit morbidi da parte del team. Un precedente exosuit multi-articolazione, sviluppato dal team, potrebbe aiutare sia l'anca che la caviglia durante la camminata e una versione medica dell'esosuit, volta a migliorare la riabilitazione dell'andatura (4) per i sopravvissuti all'ictus, è ora disponibile in commercio negli Stati Uniti e in Europa, attraverso una collaborazione con ReWalk Robotica.

La più recente tuta per la cura dell'anca del team è progettata per essere più semplice e leggera rispetto alla precedente tuta multi-articolazione. Aiuta chi lo indossa tramite un sistema di azionamento del cavo. I cavi di attuazione applicano una forza di trazione tra la cintura in vita e gli avvolgimenti della coscia per generare una coppia di estensione esterna sull'articolazione dell'anca che lavora di concerto con i muscoli glutei. Il dispositivo pesa 5 kg in totale con oltre il 90% del suo peso situato vicino al centro di massa del corpo.

“Questo approccio alla concentrazione del peso, combinato con l'interfaccia flessibile dell'abbigliamento, riduce al minimo l'onere energetico e la limitazione dei movimenti per chi lo indossa”, ha dichiarato Jinsoo Kim, uno studente laureato SEAS nel gruppo di Walsh. “Questo è importante per camminare, ma ancora di più per correre mentre gli arti si muovono avanti e indietro molto più velocemente.” Kim ha condiviso la prima paternità con Giuk Lee, Ph.D., ex collega post dottorato nella squadra di Walsh e ora professore associato presso la Chung-Ang University di Seoul, in Corea del Sud.

Uno dei maggiori problemi che il team ha dovuto risolvere è conferire alla tuta la capacità tecnologica di poter distinguere tra andature da marcia e andatura da corsa modificando, di conseguenza, i suoi profili per conferire al sistema la giusta quantità di assistenza fornita al momento giusto del ciclo dell'andatura.

Il dottor Philippe Malcolm, Ph.D., (5) professore assistente presso l'Università del Nebraska Omaha, spiega: “abbiamo approfittato di queste intuizioni biomeccaniche per sviluppare il nostro algoritmo di classificazione dell'andatura ispirato biologicamente che può rilevare in modo estremamente affidabile una transizione da un'andatura all'altra monitorando l'accelerazione del centro di massa di un individuo con sensori collegati al corpo. Una volta rilevata una transizione dell'andatura, l'exosuit regola automaticamente i tempi del suo profilo di attuazione per aiutare l'altra andatura, come dimostrato dalla sua capacità di ridurre il consumo di ossigeno metabolico nei portatori.”

Nel lavoro in corso, il team si concentra sull'ottimizzazione di tutti gli aspetti della tecnologia, compresa l'ulteriore riduzione del peso, l'individuazione dell'assistenza e il miglioramento della facilità d'uso. “È molto soddisfacente vedere fino a che punto è arrivato il nostro approccio”, ha affermato dottor Conor Walsh, “e siamo entusiasti di continuare ad inserirlo a una serie di applicazioni, tra cui l'assistenza a chi ha problemi di deambulazione, i lavoratori del settore a rischio di lesioni che si comportano in modo fisicamente faticoso”.

“Questo studio rivoluzionario, uscito dalla piattaforma di robotica bioinspirata del Wyss Institute, ci offre uno sguardo in un futuro in cui i dispositivi robotici indossabili potranno migliorare la vita dei sani, oltre a servire le persone con lesioni o che necessitano di riabilitazione”, ha dichiarato il direttore fondatore Donald E. Ingber, MD, Ph.D., (6) che è anche il professore di Judah Folkman di biologia vascolare all'HMS, il programma di biologia vascolare all'ospedale pediatrico di Boston e professore di bioingegneria al SEAS.

Altri autori dello studio sono membri storici e presenti del team del dottor Conor Walsh, Ph.D. sono: l'analista di dati Roman Heimgartner; Research Fellow Dheepak Arumukhom Revi; l'ingegnere di controllo Nikos Karavas, Ph.D.; lo stilista di abbigliamento funzionale Danielle Nathanson; l'ingegnere di Robotica Ignacio Galiana, Ph.D.; l'ingegnere della robotica Asa Eckert-Erdheim; l'ingegnere elettromeccanico Patrick Murphy; l'ingegnere David Perry; l'ingegnere del software Nicolas Menard e lo studente laureato Dabin Kim Choe. Lo studio è stato finanziato dal Warrior Web Program della Defense Advanced Research Projects Agency, dalla National Science Foundation e dall'Istituto Wyss di Harvard per l'ingegneria.

Riferimenti:

(1) Reducing the metabolic rate of walking and running with a versatile, portable exosuit

(2) Conor Walsh

(3) Warrior Web (Archived)

(4) Post-stroke patients reach terra firma with Wyss Institute’s exosuit technology

(5) Philippe Malcolm

(6) Donald E. Ingber

Descrizione foto: L'esosuit leggero e versatile aiuta l'estensione dell'anca durante le camminate in salita ea diverse velocità di corsa su terreni naturali. - Credit: Wyss Institute at Harvard University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Suit up with a robot to walk AND run more easily