Nel futuro, le tute robotiche morbide e intelligenti a base di tessuto potrebbero essere indossate da soldati, vigili del fuoco e soccorritori per aiutarli ad attraversare terreni difficili e arrivare freschi a destinazione in modo che possano svolgere i rispettivi compiti in modo più efficace. Potrebbero anche diventare un potente mezzo per migliorare la mobilità e la qualità della vita per le persone che soffrono di disturbi neurodegenerativi e per gli anziani.

Il team di Conor Walsh presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard e la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) è stato in prima linea nello sviluppo di diversi dispositivi robotici indossabili morbidi che supportano la mobilità applicando forze meccaniche a articolazioni critiche del corpo, anche alle articolazioni della caviglia o dell'anca, o nel caso di una tuta morbida multi-articolata entrambi. A causa del suo potenziale per alleviare le saldature sovraccariche sul campo, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha finanziato gli sforzi del team come parte del suo precedente programma Warrior Web.

Mentre i ricercatori hanno dimostrato che le versioni di laboratorio di tute morbide possono fornire chiari benefici a chi le indossa, permettendo loro di spendere meno energia mentre camminano e corrono, rimane la necessità di tute completamente indossabili che siano adatte per l'uso nel mondo reale.

Ora, in uno studio riportato negli atti della IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2018 il team ha presentato la sua ultima generazione di esoscheletro mobile multi-articolazione, che è stato migliorato su tutti i fronti e testato sul campo attraverso lunghe marce su terreni sconnessi. Utilizzando lo stesso exosuit in un secondo studio pubblicato nel Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation ( JNER ), i ricercatori hanno sviluppato un metodo di sintonizzazione automatica per personalizzare la sua assistenza in base a come il corpo di un individuo sta rispondendo ad essa, e dimostrato un notevole risparmio energetico.

L'exosuit morbido multi-articolazione è costituito da componenti di abbigliamento in tessuto indossati in vita, cosce, e vitelli. Attraverso un sistema di attuazione mobile ottimizzato indossato vicino alla vita e integrato in uno zaino militare, le forze meccaniche vengono trasmesse tramite cavi guidati attraverso i componenti morbidi dell'esotuta alle articolazioni della caviglia e dell'anca. Per di qua, l'esotuta aggiunge potenza alle caviglie e ai fianchi per assistere i movimenti delle gambe durante il ciclo di camminata.

"Abbiamo aggiornato tutti i componenti in questa nuova versione della tuta morbida multi-articolazione:l'abbigliamento è più user-friendly, facile da indossare e adatto a diverse forme del corpo; l'azionamento è più robusto, accendino, più silenzioso e più piccolo; e il sistema di controllo ci consente di applicare forze su fianchi e caviglie in modo più robusto e coerente, "ha detto David Perry, un coautore dello studio ICRA e un ingegnere del personale nel team di Walsh. Come parte del programma DARPA, l'esosuit è stato testato sul campo ad Aberdeen, dottore, in collaborazione con i Laboratori di Ricerca dell'Esercito, dove i soldati hanno attraversato un percorso di 12 miglia di fondo.

"In precedenza abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare metodi di ottimizzazione online che, quantificando il risparmio energetico in laboratorio, individuano automaticamente i parametri di controllo tra diversi indossatori. Tuttavia, avevamo bisogno di un mezzo per adattare i parametri di controllo in modo rapido ed efficiente alle diverse andature dei soldati dell'esercito fuori da un laboratorio, " disse Walsh, dottorato di ricerca, Membro principale della facoltà del Wyss Institute, il John L. Loeb Professore Associato di Ingegneria e Scienze Applicate presso SEAS e Fondatore, dell'Harvard Biodesign Lab.

Nello studio JNER, il team ha presentato un nuovo metodo di sintonizzazione adatto che utilizza sensori esosuit per ottimizzare la potenza positiva erogata alle articolazioni della caviglia. Quando chi lo indossa inizia a camminare, il sistema misura la potenza e regola gradualmente i parametri del controller fino a trovare quelli che massimizzano gli effetti dell'exosuit in base alla meccanica dell'andatura individuale di chi lo indossa. Il metodo può essere utilizzato come misura proxy per misurazioni energetiche elaborate.

"Abbiamo valutato i parametri metabolici nei sette partecipanti allo studio che indossavano tute esotiche che hanno subito il processo di sintonizzazione e abbiamo scoperto che il metodo ha ridotto il costo metabolico del camminare di circa il 14,8% rispetto al camminare senza il dispositivo e di circa il 22% rispetto al camminare con il dispositivo non alimentato, " disse Sangjun Lee, il primo autore di entrambi gli studi e uno studente laureato con Walsh presso SEAS.

"Questi studi rappresentano l'entusiasmante culmine dei nostri sforzi finanziati dalla DARPA. Stiamo continuando a ottimizzare la tecnologia per usi specifici nell'esercito in cui i movimenti dinamici sono importanti; e la stiamo esplorando per assistere i lavoratori nelle fabbriche che svolgono compiti fisici faticosi, " disse Walsh. "Inoltre, il campo ha riconosciuto che c'è ancora molto da capire sulla scienza di base del co-adattamento di esseri umani e robot indossabili. Le future strategie di co-ottimizzazione e i nuovi approcci di formazione potrebbero aiutare a migliorare ulteriormente gli effetti di individualizzazione e consentire a coloro che inizialmente rispondono male alle tute di adattarsi anche a loro e beneficiare della loro assistenza".

"Questa ricerca segna un punto importante nella Bioinspired Soft Robotics Initiative del Wyss Institute e nel suo sviluppo di tute morbide in quanto apre un percorso in cui i dispositivi robotici potrebbero essere adottati e personalizzati in scenari del mondo reale da portatori sani e disabili, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS e Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, e Professore di Bioingegneria presso SEAS.