Exosquelette adaptatif : soutien sur mesure pour la marche quotidienne

Les gens marchent rarement à une vitesse constante et sur une seule inclinaison. Nous changeons de vitesse en nous précipitant pour le prochain rendez-vous, en traversant un passage piéton, ou en nous promenant tranquillement dans le parc. Les pentes changent tout le temps aussi, que nous fassions une randonnée ou montions une rampe dans un bâtiment. En plus de la variabilité environnementale, notre façon de marcher est influencée par le sexe, la taille, l'âge, la force musculaire, et parfois par des troubles neurologiques ou musculaires tels que l'AVC ou la maladie de Parkinson.

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

Des chercheurs de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées John A. Paulson de Harvard (SEAS) ont développé une nouvelle approche dans laquelle l'assistance d'exosquelette robotique peut être étalonnée à un individu et s'adapter à une variété de tâches de marche réelles en quelques secondes. Le système bio-inspiré utilise des mesures par ultrasons de la dynamique musculaire pour développer un profil d'assistance personnalisé et spécifique à l'activité pour les utilisateurs de l'exosquelette.

Les tentatives bio-inspirées précédentes de développement de profils d'assistance individualisés pour les exosquelettes robotiques se concentraient 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 qui les animent. Donc, pour étudier la dynamique musculaire, l'équipe a attaché un système portable à ultrasons aux mollets des participants et a imagerie leurs muscles pendant qu'ils effectuaient une série de tâches de marche.

À partir de ces images pré-enregistrées, 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 n'a besoin que de quelques secondes de marche — même une seule foulée peut suffire pour capturer le profil du muscle.

Pour chacun des profils générés par ultrasons, les chercheurs ont ensuite mesuré combien d'énergie métabolique la personne utilisait pendant la marche avec et sans l'exosquelette. Ils ont découvert que l'assistance basée sur les muscles fournie par l'exosquelette réduisait significativement l'énergie métabolique de la marche sur une gamme de vitesses et d'inclinaisons.

L'exosquelette appliquait également une force d'assistance inférieure pour atteindre le même ou un meilleur bénéfice énergétique métabolique que ce qui a été enregistré dans des études précédemment publiées. « En mesurant le muscle directement, nous pouvons travailler plus intuitivement avec la personne utilisant l'exosquelette », a déclaré l'étudiant diplômé Sangjun Lee. « Avec cette approche, l'exosquelette n'écrase pas le porteur, il travaille en coopération avec lui. » Testé dans des situations réelles, l'exosquelette a pu s'adapter rapidement aux changements de vitesse et d'inclinaison de marche.

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