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O sistema do exoskeleton do tornozelo aumenta a velocidade de passeio auto-selecionada

Ser incapaz de andar rapidamente pode ser frustrante e problemático, mas é uma edição comum, especialmente porque os povos envelhecem. Notando o pervasiveness do passeio lento-do que-desejado, os coordenadores na Universidade de Stanford testaram como bom um sistema do exoskeleton do protótipo eles se tornou - que diplomatas em torno da canela e em um tênis de corrida - aumentou a velocidade de passeio auto-selecionada dos povos em um ajuste experimental.

O exoskeleton externamente é posto pelos motores e controlado por um algoritmo. Quando os pesquisadores o aperfeiçoaram para a velocidade, os participantes andaram, em média, 42 por cento mais rápido do que quando não vestiam sapatas normais e nenhum exoskeleton. Os resultados deste estudo foram publicados o 20 de abril em transacções de IEEE em sistemas neurais e em engenharia da reabilitação.

Nós esperávamos que nós poderíamos aumentar a velocidade de passeio com auxílio do exoskeleton, mas nós fomos surpreendidos realmente encontrar uma melhoria tão grande. Quarenta por cento são enormes.”

Steve Collins, professor adjunto da engenharia mecânica em Stanford e autor superior do papel

Para este grupo de experiências inicial, os participantes eram adultos novos, saudáveis. Dado seus resultados impressionantes, os pesquisadores planeiam executar os testes futuros com adultos mais velhos e para olhar outras maneiras o projecto do exoskeleton pode ser melhorado. Igualmente esperam criar eventualmente um exoskeleton que possa trabalhar fora do laboratório, embora esse objetivo é ainda maneiras fora.

“Minha missão da pesquisa é compreender a ciência da biomecânica e controlo do motor atrás da locomoção humana e para aplicar isso para aumentar o desempenho físico dos seres humanos no dia-a-dia,” disse a canção de Seungmoon, um companheiro pos-doctoral na engenharia mecânica e o autor principal do papel. “Eu penso que os exoskeletons são as ferramentas muito prometedoras que poderiam conseguir esse realce na qualidade de vida física.”

Passeio no laço

O sistema do exoskeleton do tornozelo testado nesta pesquisa é um emulador experimental que serva como um testbed para tentar projectos diferentes. Tem um quadro que prenda em torno da canela superior e em um tênis de corrida integrado que o participante vista. É anexado aos grandes motores que se sentam ao lado da superfície de passeio e puxa um baraço que execute acima do comprimento da parte traseira do exoskeleton. Controlado por um algoritmo, o baraço reboca o salto do portador para cima, ajudando os para apontar para baixo seu dedo do pé enquanto empurram fora da terra.

Para este estudo, os pesquisadores tiveram a caminhada de 10 participantes com modo cinco diferente de operação. Andaram em sapatas normais sem o exoskeleton, com o exoskeleton girado fora e com do exoskeleton girado sobre com os três modos diferentes: aperfeiçoado para a velocidade, aperfeiçoado para o uso de energia, e um modo do placebo ajustou para fazê-los andar mais lentamente. Em todos os testes, os participantes andaram em uma escada rolante que se adaptasse a sua velocidade.

O modo que foi aperfeiçoado para a velocidade - que conduziu ao aumento de 42 por cento no ritmo de passeio - foi criado com um processo do humano-em--laço. Um algoritmo ajustou repetidamente os ajustes do exoskeleton quando o usuário andou, com o objectivo de melhorar a velocidade do usuário com cada ajuste. Encontrar o modo velocidade-aperfeiçoado de operação tomou aproximadamente 150 círculos do ajuste e das duas horas por pessoa.

Além do que a velocidade de passeio extremamente crescente, o modo velocidade-aperfeiçoado igualmente reduziu o uso de energia, por aproximadamente 2 por cento pelo medidor viajou. Contudo, esse resultado variou extensamente de pessoal, que é esperado um tanto, dado que não era uma característica intencional desse modo do exoskeleton.

“O estudo foi projectado responder especificamente à pergunta científica sobre a velocidade de passeio crescente,” Canção disse. “Nós não nos importamos demasiado com as outras medidas de desempenho, como o conforto ou a energia. Contudo, sete de 10 participantes andados não somente mais rapidamente mas consumidos menos energia, que mostra realmente quanto os exoskeletons potenciais têm para povos de ajuda em uma maneira eficaz.”

Os ajustes que foram aperfeiçoados especificamente para o uso de energia foram pedidos de uma experiência precedente. No estudo actual, este modo diminuiu o uso de energia mais do que os ajustes velocidade-aperfeiçoados mas não aumentou a velocidade tanto quanto. Como pretendido, o modo do placebo retardou participantes e impulsionou seu uso de energia.

Melhor, mais rápido, mais forte

Agora que os pesquisadores alcançaram tal auxílio significativo da velocidade, planeiam centrar-se as versões futuras do emulador do exoskeleton do tornozelo sobre a diminuição do uso de energia consistentemente através dos usuários, ao igualmente ser mais confortáveis.

Em considerar uns adultos mais velhos especificamente, Collins e seu laboratório querem saber se os projectos futuros poderiam reduzir a dor causada por peso em junções ou melhorar o balanço. Planeiam conduzir testes de passeio similares com adultos mais velhos e para esperar aqueles fornecem resultados encorajadores também.

“Um aumento de 40 por cento na velocidade é mais do que a diferença entre adultos mais novos e adultos mais velhos,” disse Collins. “Assim, é possível que os dispositivos como este não poderiam somente restaurar mas aumentar auto-seleccionou a velocidade de passeio para uns indivíduos mais velhos e aquele é algo que nós somos entusiasmado testar em seguida.”

Source:
Journal reference:

Song, S & Collins, S.H (2021) Optimizing exoskeleton assistance for faster self-selected walking. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. doi.org/10.1109/TNSRE.2021.3074154.