Onderzoekers ontwikkelen nieuwe aanpak voor hulp bij exosuits met robots

Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld voor assistentie van robotachtige exosuits. Het helpt bij het overwinnen van een grote uitdaging bij het ontwerpen van draagbare robotica die kan worden gebruikt om te helpen bij het lopen in reële omstandigheden. 

De aanpasbare draagbare robotassistentieplatforms van vandaag vereisen veel handmatige of automatische afstemming om individuen te helpen, wat moeilijk kan zijn voor patiënten. 

De nieuwe aanpak is gebaseerd op het feit dat robotische exosuit-assistentie wordt gekalibreerd op een individu en dat het zich in slechts enkele seconden aanpast aan verschillende levensechte wandeltaken. Het bio-geïnspireerde systeem maakt gebruik van ultrasone metingen van spierdynamiek, waardoor het voor gebruikers gepersonaliseerd en activiteitspecifiek kan worden gemaakt.

Robert D. Howe is een Abbott en James Lawrence Professor of Engineering en co-auteur van het artikel, dat werd gepubliceerd in Science Robotics. 

"Onze op spieren gebaseerde aanpak maakt het mogelijk om relatief snel geïndividualiseerde assistentieprofielen te genereren die echt voordeel opleveren voor de persoon die loopt", aldus Howe.

Eerdere bio-geïnspireerde systemen versus nieuwe aanpak

Eerdere bio-geïnspireerde systemen richtten zich op de dynamische bewegingen van de ledematen en de dragers, maar de onderzoekers keken daarbuiten. 

Richard Nuckols is een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. 

"We gebruikten echografie om onder de huid te kijken en direct te meten wat de spieren van de gebruiker aan het doen waren tijdens verschillende looptaken", aldus Nuckols. "Onze spieren en pezen hebben flexibiliteit, wat betekent dat er niet noodzakelijkerwijs een directe mapping is tussen de beweging van de ledematen en die van de onderliggende spieren die hun beweging aandrijven."

Het onderzoeksteam bevestigde een draagbaar ultrasoon systeem aan de kuiten van deelnemers voordat ze hun spieren in beeld brachten terwijl ze verschillende looptaken uitvoerden. 

Krithika Swaminathan is een afgestudeerde student aan SEAS en de Graduate School of Arts and Sciences (GSAS) en co-eerste auteur van de studie. 

"Op basis van deze vooraf opgenomen beelden hebben we de ondersteunende kracht geschat die parallel met de kuitspieren moet worden uitgeoefend om het extra werk te compenseren dat ze moeten uitvoeren tijdens de afzetfase van de loopcyclus", zei Swaminathan.

Het profiel van Muscle vastleggen

Het systeem vereist slechts een paar seconden lopen om het profiel van de spier vast te leggen, en voor elk van de profielen hebben de onderzoekers gemeten hoeveel metabole energie de persoon gebruikte tijdens het lopen met en zonder het exosuit. 

Het team ontdekte dat de metabolische energie van het lopen over een reeks snelheden en hellingen aanzienlijk werd verminderd met de op spieren gebaseerde ondersteuning. Ze ontdekten ook dat er minder ondersteuningskracht nodig was om hetzelfde of verbeterde metabolische energievoordeel te bereiken in vergelijking met eerdere onderzoeken. 

Sangjun Lee is een afgestudeerde student aan SEAS en GSAS en co-eerste auteur van de studie. 

"Door de spier rechtstreeks te meten, kunnen we intuïtiever werken met de persoon die het exosuit gebruikt", zei Lee. "Met deze aanpak overweldigt het exosuit de drager niet, het werkt samen met hen."

In real-world situaties toonde het exosuit het vermogen om zich snel aan te passen aan veranderingen in loopsnelheid en helling. Het team gaat nu kijken om het systeem te testen met real-time aanpassingen.

"Deze aanpak kan de acceptatie van draagbare robotica in real-world, dynamische situaties helpen ondersteunen door comfortabele, op maat gemaakte en adaptieve hulp mogelijk te maken", aldus Walsh.