Exocombinaison personnalisée pour la marche dans le monde réel

Les gens marchent rarement à une vitesse constante et sur une seule pente. Nous changeons de vitesse lorsque nous nous précipitons au prochain rendez-vous, que nous attrapons un signal de passage pour piétons ou que nous nous promenons dans le parc. Les pentes changent aussi tout le temps, que nous allions faire une randonnée ou monter une rampe dans un bâtiment. En plus des variables environnementales, notre façon de marcher est influencée par le sexe, la taille, l'âge et la force musculaire, et parfois par des troubles neuraux ou musculaires tels que les accidents vasculaires cérébraux ou la maladie de Parkinson.

Cette variabilité humaine et des tâches est un défi majeur dans la conception de robots portables pour aider ou augmenter la marche dans des conditions réelles. À ce jour, la personnalisation de l'assistance robotique portable à la marche d'un individu nécessite des heures de réglage manuel ou automatique - une tâche fastidieuse pour les personnes en bonne santé et souvent impossible pour les personnes âgées ou les patients cliniques.

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle approche dans laquelle l'assistance robotique exosuit peut être calibrée pour un individu et s'adapter à une variété de tâches de marche réelles en quelques secondes. Le système bioinspiré utilise des mesures ultrasonores de la dynamique musculaire pour développer un profil d'assistance personnalisé et spécifique à l'activité pour les utilisateurs de l'exosuit.

Les précédentes tentatives bioinspirées de développement de profils d'assistance individualisés pour les exocombinaisons robotiques se sont concentrées sur les mouvements dynamiques des membres du porteur. Les chercheurs de SEAS ont adopté une approche différente.

Il n'y a pas nécessairement de correspondance directe entre le mouvement des membres et celui des muscles sous-jacents entraînant leur mouvement. Ainsi, afin d'étudier la dynamique musculaire, l'équipe a attaché un système d'échographie portable aux mollets des participants et a imagé leurs muscles pendant qu'ils exécutaient une série de tâches de marche.

À partir de ces images préenregistrées, ils ont estimé la force d'assistance à appliquer en parallèle avec les muscles du mollet pour compenser le travail supplémentaire qu'ils doivent effectuer pendant la phase de poussée du cycle de marche. Le nouveau système ne nécessite que quelques secondes de marche ; même une seule foulée peut suffire à capturer le profil du muscle.

Pour chacun des profils générés par ultrasons, les chercheurs ont ensuite mesuré la quantité d'énergie métabolique utilisée par la personne lors de la marche avec et sans l'exocombinaison. Ils ont constaté que l'assistance musculaire fournie par l'exosuit réduisait considérablement l'énergie métabolique de la marche sur une gamme de vitesses de marche et d'inclinaisons.

L'exocombinaison a également appliqué une force d'assistance inférieure pour obtenir le même bénéfice énergétique métabolique ou une amélioration de celui enregistré dans les études publiées précédemment. "En mesurant directement le muscle, nous pouvons travailler de manière plus intuitive avec la personne qui utilise l'exosuit", a déclaré l'étudiant diplômé Sangjun Lee. "Avec cette approche, l'exosuit ne domine pas le porteur, il travaille en coopération avec lui." Lorsqu'elle a été testée dans des situations réelles, l'exocombinaison a pu s'adapter rapidement aux changements de vitesse de marche et d'inclinaison.

Ensuite, l'équipe de recherche vise à tester le système en effectuant des ajustements constants en temps réel.