Pesquisa em biomecânica sinaliza progresso para reabilitação musculoesquelética e robôs ambulantes

As descobertas de novas pesquisas em biomecânica poderiam ser usadas para desenvolver técnicas de reabilitação mais eficazes para pacientes com lesões musculoesqueléticas.

O estudo intitulado “A mudança de fase entre a rotação e a atuação das articulações reflete as forças dominantes e prevê padrões de ativação muscular” tem o potencial de revolucionar o campo da pesquisa de locomoção, útil para pesquisadores que estudam locomoção e engenheiros que projetam robôs ambulantes para pesquisas científicas.

Uma equipe de cientistas da Universidade de Lincoln, no Reino Unido, da Universidade Case Western Reserve e da Universidade de West Virginia, nos EUA, analisou a relação entre a rotação articular e as forças sinérgicas dominantes do movimento. Eles descobriram que existe uma relação fundamental entre essas duas variáveis, que pode prever padrões de ativação muscular.

O estudo foi publicado em Nexus do PNASe cujas descobertas poderiam ajudar a desenvolver técnicas de reabilitação mais eficazes para pacientes com lesões musculoesqueléticas.

O professor Gregory Sutton, pesquisador da Royal Society University na Universidade de Lincoln, disse: “Tanto os cavalos quanto os bichos-pau andam, no entanto, devido ao seu tamanho, eles andam em mundos muito diferentes. Os cavalos, sendo grandes, andam em um mundo dominado pela inércia e a gravidade, assim como os humanos, enquanto os bichos-pau, sendo pequenos, caminham em um mundo onde a inércia e a gravidade são insignificantes em comparação com as forças da mola dentro de seus tendões e do mundo ao seu redor.

“Este artigo quantifica os mundos muito diferentes em que os animais navegam em função do seu tamanho e da rapidez com que se movem, determinando as forças dominantes, sejam inércia, gravidade, forças elásticas ou viscosidade dentro de um determinado movimento, e mostrando as consequências de se mover com essas forças. forças dominantes.

“Podemos usar as descobertas para entender melhor como o sistema nervoso controla esses diferentes movimentos. A pesquisa também pode ajudar a moldar o design e o desenvolvimento de robótica que possa realizar melhor esses movimentos com a agilidade e destreza semelhantes de animais de tamanhos diferentes.”

Nicholas Szczecinski, professor assistente da Universidade de West Virginia, disse: “Os resultados deste estudo ajudarão, e já ajudaram, cientistas e engenheiros a construir robôs semelhantes a animais com uma mecânica mais próxima da imitação animal.

“Cientistas e engenheiros vêm construindo modelos robóticos de animais há décadas, seja para melhorar o que há de mais moderno em mobilidade robótica, aplicando o que sabemos sobre os animais, seja para construir um modelo físico de um animal que possa ser usado para testar hipóteses sobre controle motor.Trabalhar em direção a qualquer um desses objetivos – aplicação ou modelagem – é mais produtivo quando o equilíbrio de forças dentro do robô enquanto ele anda é consistente com o equilíbrio no animal.

“Por exemplo, a maioria dos robôs que construímos tem motores pesados ​​que giram cada articulação de cada perna. Cada vez que o robô dá um passo, os motores devem fornecer torque às articulações para acelerar a perna e, em seguida, fornecer torque na direção oposta para desacelerá-lo e colocá-lo para a próxima etapa. Isso é muito diferente de um inseto, cujos membros são leves e cujos músculos são rígidos. Como resultado, os músculos só precisam fornecer torque em uma direção, a direção do movimento, porque a rigidez de suas articulações interromperá o movimento.

“Podemos usar esses princípios para construir modelos robóticos de animais mais precisos, mudando a forma como construímos as pernas do robô e reduzindo a frequência de passos do robô. Ao adicionar molas que trabalham contra cada motor enquanto ele gira, equilibramos a inércia e a elasticidade de as pernas do robô de uma forma semelhante a um inseto.”

A equipe continuará a expandir essas descobertas, com o objetivo de desenvolver novas técnicas de reabilitação que possam ser adaptadas a pacientes individuais em diversos ambientes de cuidados de saúde.