Modelo biomecânico que mostra como os humanos andam eficientemente em velocidades variadas pode abrir caminho para uma nova robótica

Normalmente não pensamos nisso enquanto fazemos isso, mas caminhar é uma tarefa complicada. Controlados pelo nosso sistema nervoso, os nossos ossos, articulações, músculos, tendões, ligamentos e outros tecidos conjuntivos (ou seja, o sistema músculo-esquelético) devem mover-se em coordenação e responder a alterações ou perturbações inesperadas a velocidades variadas e de uma forma altamente eficiente. Replicar isso em tecnologias robóticas não é pouca coisa.

Agora, um grupo de pesquisa da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Tohoku replicou a caminhada em velocidade variável semelhante à humana, usando um modelo músculo-esquelético – guiado por um método de controle de reflexo que reflete o sistema nervoso humano. Este avanço na biomecânica e na robótica estabelece um novo marco na compreensão do movimento humano e abre caminho para tecnologias robóticas inovadoras.

Detalhes de seu estudo foram publicados na revista Biologia Computacional PLoS.

“Nosso estudo enfrentou o intrincado desafio de replicar a caminhada eficiente em várias velocidades – uma pedra angular do mecanismo de caminhada humana”, aponta o professor associado Dai Owaki e coautor do estudo junto com Shunsuke Koseki e o professor Mitsuhiro Hayashibe. “Esses insights são fundamentais para ultrapassar os limites da compreensão da locomoção, adaptação e eficiência humanas.”

A conquista foi graças a um algoritmo inovador. O algoritmo evoluiu além do método convencional de mínimos quadrados e ajudou a desenvolver um modelo de circuito neural otimizado para eficiência energética em diversas velocidades de caminhada.

A análise intensiva destes circuitos neurais, particularmente aqueles que controlam os músculos na fase de balanço das pernas, revelou elementos críticos de estratégias de caminhada que economizam energia. Estas revelações melhoram a nossa compreensão dos complexos mecanismos da rede neural que sustentam a marcha humana e a sua eficácia.

Owaki salienta que o conhecimento descoberto no estudo ajudará a estabelecer as bases para futuros avanços tecnológicos.

“A emulação bem-sucedida da caminhada em velocidade variável em um modelo musculoesquelético, combinada com circuitos neurais sofisticados, marca um avanço fundamental na fusão da neurociência, biomecânica e robótica. Ela revolucionará o design e o desenvolvimento de robôs bípedes de alto desempenho, membros protéticos avançados e exoesqueletos de última geração.”

Tais desenvolvimentos poderão melhorar as soluções de mobilidade para pessoas com deficiência e promover tecnologias robóticas utilizadas na vida quotidiana.

Olhando para o futuro, Owaki e sua equipe esperam refinar ainda mais a estrutura de controle de reflexos para recriar uma gama mais ampla de velocidades e movimentos de caminhada humana. Eles também planejam aplicar os insights e algoritmos do estudo para criar próteses, trajes motorizados e robôs bípedes mais adaptativos e energeticamente eficientes. Isso inclui a integração dos circuitos neurais identificados nessas aplicações para melhorar sua funcionalidade e naturalidade de movimento.