Tra camminare a passo lento e correre per la vita, le andature umane possono coprire un'ampia gamma di velocità. Tipicamente, scegliamo l'andatura che ci permette di consumare la minor quantità di energia ad una data velocità. Per esempio, a bassa velocità, il tasso metabolico della camminata è inferiore a quello della corsa in una corsa lenta; viceversa ad alta velocità, il tasso metabolico della corsa è inferiore a quello della camminata veloce.

I ricercatori nei laboratori accademici e industriali hanno precedentemente sviluppato dispositivi robotici per la riabilitazione e altre aree della vita che possono aiutare a camminare o correre, ma nessun dispositivo portatile slegato potrebbe fare entrambe le cose in modo efficiente. Assistere la camminata e la corsa con un singolo dispositivo è impegnativo a causa della biomeccanica fondamentalmente diversa delle due andature. Però, entrambe le andature hanno in comune un'estensione dell'articolazione dell'anca, che inizia intorno al momento in cui il piede entra in contatto con il suolo e richiede una notevole energia per spingere il corpo in avanti.

Come riportato oggi in Scienza , un team di ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e l'Università del Nebraska Omaha ha ora sviluppato un esosuit portatile che aiuta con l'estensione dell'anca specifica per l'andatura durante la camminata e la corsa. La loro tuta leggera è realizzata con componenti tessili indossati in vita e sulle cosce, e un sistema di attuazione mobile attaccato alla parte bassa della schiena che è controllato da un algoritmo in grado di rilevare in modo robusto il passaggio dalla camminata alla corsa e viceversa.

Il team ha prima dimostrato che la tuta indossata dagli utenti nei test indoor su tapis roulant, in media, hanno ridotto i tassi metabolici della camminata del 9,3% e della corsa del 4% rispetto a quando camminavano e correvano senza il dispositivo. "Siamo stati entusiasti di vedere che il dispositivo si è comportato bene anche durante la camminata in salita, a diverse velocità di marcia e durante le prove in superficie all'esterno, che ha mostrato la versatilità del sistema, " disse Conor Walsh, dottorato di ricerca, che ha condotto lo studio. Walsh è un membro della facoltà principale del Wyss Institute, il professore di ingegneria e scienze applicate Gordon McKay presso SEAS, e fondatore dell'Harvard Biodesign Lab. "Mentre le riduzioni metaboliche che abbiamo riscontrato sono modeste, il nostro studio dimostra che è possibile avere un robot indossabile portatile che assiste più di una singola attività, contribuendo a spianare la strada affinché questi sistemi diventino onnipresenti nelle nostre vite, " disse Walsh.

La tuta per l'anca è stata sviluppata come parte dell'ex programma Warrior Web della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ed è il culmine di anni di ricerca e ottimizzazione della tecnologia della tuta morbida da parte del team. Una precedente tuta multi-articolazione sviluppata dal team potrebbe assistere sia l'anca che la caviglia durante la deambulazione, e una versione medica dell'exosuit volta a migliorare la riabilitazione dell'andatura per i sopravvissuti all'ictus è ora disponibile in commercio negli Stati Uniti e in Europa, tramite una collaborazione con ReWalk Robotics.

La più recente tuta per l'assistenza all'anca della squadra è progettata per essere più semplice e leggera rispetto alla loro precedente tuta multi-articolazione. Assiste chi lo indossa tramite un sistema di azionamento a cavo. I cavi di azionamento applicano una forza di trazione tra la cintura in vita e le fasce per le cosce per generare una coppia di estensione esterna all'articolazione dell'anca che lavora di concerto con i muscoli glutei. Il dispositivo pesa 5 kg in totale con oltre il 90% del suo peso situato vicino al centro di massa del corpo. "Questo approccio alla concentrazione del peso, combinato con l'interfaccia flessibile dell'abbigliamento riduce al minimo il carico energetico e la limitazione del movimento per chi lo indossa, " ha detto il co-primo autore Jinsoo Kim, uno studente laureato SEAS nel gruppo di Walsh. "Questo è importante per camminare, ma ancora di più per la corsa mentre gli arti si muovono avanti e indietro molto più velocemente." Kim ha condiviso la prima paternità con Giuk Lee, dottorato di ricerca, un ex borsista post-dottorato nella squadra di Walsh e ora assistente professore presso l'Università Chung-Ang di Seoul, Corea del Sud.

Una delle principali sfide che il team ha dovuto risolvere era che l'exosuit doveva essere in grado di distinguere tra andatura di camminata e corsa e modificare i suoi profili di attuazione di conseguenza con la giusta quantità di assistenza fornita al momento giusto del ciclo del passo.

Per spiegare le diverse cinetiche durante i cicli del cammino, i biomeccanici spesso paragonano il camminare ai movimenti di un pendolo invertito e la corsa ai movimenti di un sistema molla-massa. Durante la camminata, il baricentro del corpo si sposta verso l'alto dopo il colpo di tallone, quindi raggiunge la massima altezza a metà della fase statica per scendere verso la fine della fase statica. Nella corsa, il movimento del centro di massa è opposto. Scende verso un'altezza minima a metà della fase statica e poi risale verso il push-off.

"Abbiamo approfittato di queste intuizioni biomeccaniche per sviluppare il nostro algoritmo di classificazione dell'andatura ispirato alla biologia che può rilevare in modo robusto e affidabile una transizione da un'andatura all'altra monitorando l'accelerazione del centro di massa di un individuo con sensori attaccati al corpo, ", ha detto l'autore corrispondente Philippe Malcolm, dottorato di ricerca, Professore assistente presso l'Università del Nebraska Omaha. "Una volta rilevata una transizione dell'andatura, l'exosuit regola automaticamente i tempi del suo profilo di attuazione per aiutare l'altra andatura, come abbiamo dimostrato dalla sua capacità di ridurre il consumo metabolico di ossigeno nei portatori".

Nei lavori in corso, il team è focalizzato sull'ottimizzazione di tutti gli aspetti della tecnologia, compresa un'ulteriore riduzione del peso, personalizzazione dell'assistenza e miglioramento della facilità d'uso. "È molto soddisfacente vedere fino a che punto è arrivato il nostro approccio, " disse Walsh, "e siamo entusiasti di continuare ad applicarlo a una vasta gamma di applicazioni, compreso l'assistenza a coloro che hanno problemi di deambulazione, lavoratori dell'industria a rischio di lesioni che svolgono attività fisicamente faticose, o guerrieri del fine settimana ricreativo."

"Questo studio rivoluzionario che esce dalla piattaforma Bioinspired Soft Robotics del Wyss Institute ci offre uno sguardo su un futuro in cui i dispositivi robotici indossabili possono migliorare la vita delle persone sane, oltre a servire coloro che hanno lesioni o hanno bisogno di riabilitazione, ", 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, il programma di biologia vascolare presso il Boston Children's Hospital, e Professore di Bioingegneria presso SEAS.