Le système d’exosquelette de la cheville augmente la vitesse de marche auto-sélectionnée

Être incapable de marcher rapidement peut être frustrant et problématique, mais c’est un problème courant, surtout à mesure que les gens vieillissent. Notant l’omniprésence d’une marche plus lente que souhaité, les ingénieurs de l’Université de Stanford ont testé l’efficacité d’un prototype de système d’exosquelette qu’ils ont développé – qui s’attache autour du tibia et dans une chaussure de course – augmentait la vitesse de marche auto-sélectionnée des personnes dans une expérience réglage.

L’exosquelette est alimenté en externe par des moteurs et contrôlé par un algorithme. Lorsque les chercheurs l’ont optimisé pour la vitesse, les participants ont marché, en moyenne, 42% plus vite que lorsqu’ils portaient des chaussures normales et sans exosquelette. Les résultats de cette étude ont été publiés le 20 avril à Transactions IEEE sur les systèmes neuronaux et l’ingénierie de la réadaptation.

Nous espérions pouvoir augmenter la vitesse de marche avec l’aide d’exosquelette, mais nous avons été vraiment surpris de constater une telle amélioration. Quarante pour cent, c’est énorme. « 

Steve Collins, professeur agrégé de génie mécanique à Stanford et auteur principal de l’article

Pour cette première série d’expériences, les participants étaient de jeunes adultes en bonne santé. Compte tenu de leurs résultats impressionnants, les chercheurs prévoient d’effectuer de futurs tests avec des personnes âgées et d’étudier d’autres moyens d’améliorer la conception de l’exosquelette. Ils espèrent également créer éventuellement un exosquelette qui puisse fonctionner en dehors du laboratoire, bien que cet objectif soit encore loin.

« Ma mission de recherche est de comprendre la science de la biomécanique et du contrôle moteur derrière la locomotion humaine et de l’appliquer pour améliorer les performances physiques des humains dans la vie quotidienne », a déclaré Seungmoon Song, stagiaire postdoctoral en génie mécanique et auteur principal de l’article. « Je pense que les exosquelettes sont des outils très prometteurs qui pourraient améliorer la qualité de vie physique. »

Marcher dans la boucle

Le système d’exosquelette de cheville testé dans cette recherche est un émulateur expérimental qui sert de banc d’essai pour essayer différents modèles. Il a un cadre qui se fixe autour du tibia supérieur et dans une chaussure de course intégrée que le participant porte. Il est attaché à de gros moteurs qui se trouvent à côté de la surface de marche et tirent une attache qui s’étend sur toute la longueur du dos de l’exosquelette. Contrôlé par un algorithme, l’attache tire le talon du porteur vers le haut, l’aidant à pointer son orteil vers le bas pendant qu’il pousse sur le sol.

Pour cette étude, les chercheurs ont fait marcher 10 participants avec cinq modes de fonctionnement différents. Ils ont marché dans des chaussures normales sans exosquelette, avec l’exosquelette éteint et avec l’exosquelette activé avec trois modes différents: optimisé pour la vitesse, optimisé pour la consommation d’énergie et un mode placebo ajusté pour les faire marcher plus lentement. Dans tous les tests, les participants ont marché sur un tapis roulant qui s’adapte à leur vitesse.

Le mode optimisé pour la vitesse – qui a entraîné une augmentation de 42% de la vitesse de marche – a été créé grâce à un processus humain dans la boucle. Un algorithme a ajusté à plusieurs reprises les paramètres de l’exosquelette pendant que l’utilisateur marchait, dans le but d’améliorer la vitesse de l’utilisateur à chaque ajustement. Trouver le mode de fonctionnement à vitesse optimisée a nécessité environ 150 cycles de réglage et deux heures par personne.

En plus d’augmenter considérablement la vitesse de marche, le mode à vitesse optimisée a également réduit la consommation d’énergie, d’environ 2% par mètre parcouru. Cependant, ce résultat variait considérablement d’une personne à l’autre, ce qui est quelque peu attendu, étant donné qu’il ne s’agissait pas d’une caractéristique intentionnelle de ce mode exosquelette.

« L’étude a été conçue pour répondre spécifiquement à la question scientifique sur l’augmentation de la vitesse de marche », a déclaré Song. « Nous ne nous soucions pas trop des autres mesures de performance, comme le confort ou l’énergie. Cependant, sept participants sur dix ont non seulement marché plus vite mais consommé moins d’énergie, ce qui montre vraiment le potentiel des exosquelettes pour aider les gens de manière efficace. . « 

Les paramètres optimisés spécifiquement pour la consommation d’énergie ont été empruntés à une expérience précédente. Dans l’étude actuelle, ce mode réduisait davantage la consommation d’énergie que les réglages optimisés pour la vitesse, mais n’augmentait pas autant la vitesse. Comme prévu, le mode placebo a à la fois ralenti les participants et augmenté leur consommation d’énergie.

Mieux, plus rapide, plus fort

Maintenant que les chercheurs ont atteint une assistance de vitesse aussi importante, ils prévoient de concentrer les futures versions de l’émulateur d’exosquelette de cheville sur la réduction de la consommation d’énergie de manière cohérente entre les utilisateurs, tout en étant plus à l’aise.

En considérant spécifiquement les adultes plus âgés, Collins et son laboratoire se demandent si les futures conceptions pourraient réduire la douleur causée par le poids sur les articulations ou améliorer l’équilibre. Ils prévoient d’effectuer des tests de marche similaires avec des adultes plus âgés et espèrent que ceux-ci fourniront également des résultats encourageants.

« Une augmentation de 40 pour cent de la vitesse est plus que la différence entre les jeunes adultes et les adultes plus âgés », a déclaré Collins. « Il est donc possible que des appareils comme celui-ci puissent non seulement restaurer, mais également améliorer la vitesse de marche auto-sélectionnée pour les personnes âgées et c’est quelque chose que nous sommes impatients de tester ensuite. »