Un gruppo di scienziati del Georgia Institute of Technology e della Emory University ha scoperto che gli esoscheletri convenzionali per le caviglie a volte non hanno alcun effetto quando si tratta di mantenere l'equilibrio in piedi. Secondo i ricercatori, gli ausili robotici per il movimento reagiscono troppo tardi. Devono invece intervenire prima che la persona reagisca per ripristinare l'equilibrio dopo un disturbo.
Nello studio "Exoskeletons need to react faster than physiological responses to improve standing balance" (Gli esoscheletri devono reagire più velocemente delle risposte fisiologiche per migliorare l'equilibrio in piedi), pubblicato su Science Robotics, il team di ricerca ha analizzato la misura in cui gli esoscheletri per caviglie hanno un qualche effetto nell'aiutare le persone anziane e con problemi fisici a migliorare l'equilibrio per non cadere.
L'esame di un paio di stivali con esoscheletro alla caviglia di Dephy, disponibile in commercio e utilizzato come rappresentante della tecnologia attuale, è stato sconfortante. Questo perché l'attivazione fisiologicamente ritardata del supporto dell'esoscheletro non ha aiutato una persona a ritrovare l'equilibrio in piedi dopo un malfunzionamento.
Il team lo ha testato con diversi soggetti di prova. Dovevano stare in piedi su una piattaforma mobile con stivali esoscheletrici allacciati, che veniva mossa bruscamente per disturbare l'equilibrio dei partecipanti mentre stavano in piedi. Gli scienziati hanno effettuato il test in tre condizioni diverse: senza alcun supporto da parte dell'esoscheletro, con un supporto ritardato da parte dell'esoscheletro in risposta alla reazione naturale del corpo e con un supporto che interveniva più rapidamente della reazione fisica del corpo.
Il video mostra come gli effetti dei disturbi dell'equilibrio vengono compensati dagli stivali con esoscheletro.
Questi esoscheletri sono generalmente controllati dai segnali fisiologici di chi li indossa, come l'attività muscolare o cerebrale. Ad esempio, viene misurata l'attività muscolare intorno alla caviglia. L'esoscheletro viene quindi attivato quando il muscolo è teso. Il sistema di controllo 'ruba' la reazione umana, per così dire, e la sovrappone semplicemente.
È necessaria una risposta più rapida
Come ha scoperto il team di scienziati, questo non è sufficiente se l'equilibrio è disturbato mentre si è in piedi. L'esoscheletro viene attivato troppo tardi dalle reazioni del corpo. Gli approcci precedenti a questo tipo di controllo dell'esoscheletro non sono adatti a mantenere l'equilibrio in piedi. Secondo gli scienziati, il corpo impiega circa 150 millisecondi per reagire a una perdita di equilibrio. L'esoscheletro deve reagire entro questo lasso di tempo, per poter prendere le contromisure.
Gli scienziati lo hanno realizzato con accelerometri elettronici, come quelli utilizzati negli smartphone. Li hanno utilizzati per determinare il disturbo e sono stati così in grado di innescare una reazione più rapida degli stivali esoscheletrici. Tuttavia, anche in questo caso sono sorti dei problemi, in quanto il supporto rapido artificiale si è sovrapposto al movimento iniziale della caviglia e ha interferito con esso. Con un controllo attivo aggiuntivo tramite il muscolo, la destabilizzazione era ancora maggiore. Tuttavia, il supporto rapido da solo ha portato un miglioramento: il 9 percento dei disturbi maggiori poteva essere compensato senza che i soggetti del test dovessero fare un affondo.
Sulla base dei risultati, il team è certo che una combinazione di sensore globale e sensore della caviglia non funziona a causa del ritardo tra i due. I ricercatori sostengono quindi le teorie degli anni '70, secondo cui i segnali fisiologici globali sono più adatti a prevedere il comportamento dell'equilibrio rispetto ai segnali locali provenienti dalla caviglia o dalla gamba. Tuttavia, questo da solo non è sufficiente, come dimostrano i risultati. Il team ipotizza che gli approcci di apprendimento automatico potrebbero aiutare a riconoscere e reagire ai disturbi in una fase iniziale.