Para ajudar a recuperar o equilíbrio, os exoesqueletos robóticos precisam ser mais rápidos que os reflexos humanos

A robótica vestível promete ajudar os idosos a manter sua mobilidade e os pacientes paraplégicos a recuperarem. Eles poderiam ajudar a tornar os humanos mais fortes e mais rápidos. Mas, até agora, eles não são bons em evitar que as pessoas caiam.

O equilíbrio humano é uma dança complicada, e mesmo os robôs e dispositivos vestíveis mais avançados, como exoesqueletos robóticos, têm problemas para replicar como nossos cérebros e corpos trabalham juntos para nos manter em pé. Um novo estudo de pesquisadores do Georgia Institute of Technology e da Emory University está dando o primeiro passo para resolver o problema do equilíbrio.

Em um artigo publicado em 15 de fevereiro em Ciência Robótica, o grupo mostrou que um exoesqueleto de tornozelo deve reagir mais rápido do que nossos corpos para melhorar o equilíbrio. Os participantes não se recuperaram mais rapidamente quando o exoesqueleto atrasou a aplicação de força até que, ao mesmo tempo, os músculos da perna e do tornozelo fossem ativados para restaurar o equilíbrio.

“Foi surpreendente que usar a assistência fisiologicamente atrasada dos exoesqueletos não ajudou em nada”, disse Max Shepherd, um pós-doutorando da Georgia Tech durante o estudo e agora professor assistente na Northeastern University. “Fiquei surpreso com os resultados – agradavelmente surpreso. Acho que é um resultado muito fascinante.”

A equipe usou um par de botas de exoesqueleto de tornozelo disponíveis comercialmente da Dephy Inc. para o estudo. Os participantes calçaram as botas e ficaram em uma plataforma personalizada no Laboratório de Neuromecânica de Lena Ting na Emory University.

Os pesquisadores mudaram a plataforma abruptamente – o que eles chamam de perturbação – fazendo com que os participantes perdessem o equilíbrio e se recuperassem. Eles testaram três condições: nenhuma assistência do exoesqueleto, assistência atrasada para coincidir com a reação natural do corpo e assistência mais rápida do que a resposta fisiológica. Eles relataram que o torque do exoesqueleto do tornozelo antes da resposta natural do corpo permitia que os sujeitos resistissem a perturbações 9% maiores sem dar um passo; atrasar o torque não mostrou nenhuma melhora.

“Muitas próteses ou exoesqueletos são acionados por sinais fisiológicos vindos do usuário humano, seja sua atividade muscular ou cerebral”, disse Ting, professor e presidente da McCamish Foundation Distinguished Chair no Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering na Geórgia. Tecnologia e Emory. “Você mede o músculo ao redor do tornozelo e sempre que ele aumenta, você ativa o exo. A implicação aqui é que isso não funcionará para o equilíbrio.”

As descobertas “invertem um pouco a narrativa” para esses tipos de ferramentas robóticas, como disse o coautor Greg Sawicki.

“A abordagem de controle predominante é roubar a resposta humana e, em seguida, apenas aplicá-la. O que mostramos neste estudo é que definitivamente não será bom o suficiente, pelo menos para o equilíbrio em pé”, disse Sawicki, professor associado do George Escola de Engenharia Mecânica W. Woodruff e Escola de Ciências Biológicas.

Shepherd disse que não ser capaz de simplesmente seguir as próprias reações do corpo para conduzir a ativação do exoesqueleto torna mais difícil criar um dispositivo que possa ajudar as pessoas a recuperar o equilíbrio em situações do mundo real. Mas também apresenta caminhos interessantes para os pesquisadores seguirem, incluindo o uso de abordagens de aprendizado de máquina para detectar e responder a perturbações.

Leva apenas 150 milissegundos ou mais para o corpo reagir à perda de equilíbrio, de modo que os exoesqueletos do tornozelo tinham uma janela extremamente pequena para serem ativados se fossem vencer a resposta fisiológica. Em seus experimentos, a equipe usou acelerômetros semelhantes aos encontrados em smartphones para rastrear a aceleração do pé durante a perturbação e ativar o gatilho das exobotas.

Um controlador mais inteligente infundido com alguma forma de aprendizado de máquina pode ser promissor. Mas, curiosamente, os dados para alimentar esses algoritmos provavelmente precisariam vir de muito além do tornozelo.

Os pesquisadores relataram que a assistência artificialmente rápida do exoesqueleto interrompeu o movimento inicial do tornozelo, embora a atividade muscular fosse consistente, quer as botas fossem ativadas ou não. Na verdade, o sinal local no tornozelo teria feito com que o exoesqueleto fornecesse torque na direção errada, o que seria mais desestabilizador.

A equipe disse que apoia a noção de que os músculos são movidos não apenas por informações sensoriais locais no tornozelo, mas por informações de todo o corpo.

Ting disse que estudos datados de quase 50 anos sugeriram que os sinais fisiológicos globais seriam melhores em prever o comportamento de correção do equilíbrio do corpo do que informações locais apenas do tornozelo e da perna. Mas esses estudos não foram testados dessa maneira.

“A ideia é que seu centro de massa, que é basicamente o movimento líquido de todo o seu corpo, conduz o que o músculo do tornozelo precisa fazer”, disse Ting, que também é professor do Departamento de Medicina de Reabilitação da Emory. “O que eu gosto em nossas descobertas é que elas modernizam essa história da década de 1970 e a mostram em termos muito claros e aplicáveis. E gostei que esse exo agora seja potencialmente um dispositivo experimental para nosso laboratório para demonstrar qual sinal usar quando um local conflito de sinal com um sinal global.”

Além de Ting, Sawicki e Shepherd, os autores do estudo também incluíram Owen Beck, um pós-doutorando no laboratório de Sawicki e agora professor assistente na Universidade do Texas em Austin; o engenheiro de pesquisa da Emory, Rish Rastogi; e o pós-doutorado Giovanni Martino, que em breve será professor assistente na Universidade de Pádua, na Itália.

“Uma coisa realmente especial sobre isso é que fomos capazes de fazer uma pergunta muito específica sobre a interação entre o exoesqueleto e o ser humano e entender um pouco mais sobre como o exoesqueleto ajuda ou atrapalha as respostas fisiológicas humanas”, disse Shepherd. “Este estudo é uma maneira muito clara de oferecer informações sobre como melhorar o equilíbrio, que pode se tornar um subcampo muito, muito grande dentro dos exoesqueletos”.

Para completar seu entendimento, a equipe usou a tecnologia de captura de movimento e conectou os participantes com eletromiografia (EMG) e sensores de ultrassom para que pudessem rastrear em detalhes não apenas como o tornozelo e as exobotas funcionavam juntos – ou um contra o outro – mas também como o músculos disparados e com que força.

“Isso é mais do que apenas explodir pessoas com poder robótico e ver o que acontece. Também estamos explicando por que e o que acontece sob a pele”, disse Sawicki. “Esse é um caminho importante para o projeto de engenharia. Também é um sinal de que você precisa ter alguns fisiologistas em seus laboratórios de robótica e alguns engenheiros em seus laboratórios de fisiologia”.