![Simulação de caminhada que altera com precisão a velocidade em resposta a uma velocidade alvo de entrada (vxtar) usando um modelo musculoesquelético que imita um ser humano. A estrutura de controle de reflexos existente não conseguia alterar com precisão a velocidade de caminhada. Crédito: Universidade Tohoku Como os humanos andam eficientemente em velocidades variadas](https://i0.wp.com/scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/how-humans-efficiently.jpg?resize=800%2C530&ssl=1)
Simulação de caminhada que altera com precisão a velocidade em resposta a uma velocidade alvo de entrada (vxtar) usando um modelo musculoesquelético que imita um ser humano. A estrutura de controle de reflexos existente não conseguia alterar com precisão a velocidade de caminhada. Crédito: Universidade Tohoku
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.
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Uma visão geral esquemática do algoritmo de otimização proposto (PWLS). Os pontos de dados plotados mostram a relação entre os valores dos parâmetros de controle e as velocidades de caminhada reproduzidas. Se a função que expressa essa relação foi obtida pelo método dos mínimos quadrados gerais, os dados que geram marcha energeticamente eficiente e não energeticamente eficiente não são distinguidos e tratados com a mesma avaliação. No PWLS proposto, ao adicionar pesos baseados em valores de avaliação (eficiência energética) aos pontos de dados que geram caminhada energeticamente eficiente, é possível obter a relação entre a velocidade de caminhada e os parâmetros de controle que realizam uma caminhada altamente eficiente e construir um modelo de circuito neural que permite a geração de caminhadas com maior eficiência energética. Crédito: Universidade Tohoku
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Os dois circuitos neurais identificados contribuem para uma caminhada energeticamente eficiente em uma ampla gama de velocidades no controle reflexo: primeiro, o circuito reflexo relacionado ao vasto medial que facilita o balanço da perna para frente; segundo, o circuito reflexo relacionado ao vasto medial e isquiotibiais que inibem o movimento da perna para frente. Crédito: Universidade Tohoku
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.
Mais Informações:
Shunsuke Koseki et al, Identificando fatores essenciais para o controle da caminhada com eficiência energética em uma ampla gama de velocidades em sistemas musculoesqueléticos baseados em reflexos, Biologia Computacional PLOS (2024). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011771
Fornecido pela Universidade de Tohoku
Citação: Modelo biomecânico que mostra como os humanos andam eficientemente em velocidades variadas pode abrir caminho para uma nova robótica (2024, 22 de janeiro) recuperado em 22 de janeiro de 2024 em https://techxplore.com/news/2024-01-biomechanics-humans-efficiently-varied -pave.html
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