Finanțare de 2 milioane de dolari de la NIH pentru cercetarea exoscheletelor portabile pentru genunchi
O echipă de la Universitatea din Michigan explorează potențialul exoscheletelor portabile pentru a reduce durerea de genunchi cauzată de osteoartrită, având la dispoziție o finanțare de 2 milioane de dolari de la Institutele Naționale de Sănătate.
Proiectul se bazează pe succesul anterior al unor inițiative care au vizat creșterea forței prin adăugarea de motoare la orteze convenționale pentru genunchi, șolduri și glezne. Robert Gregg, profesor de robotică la U-M și lider al proiectului, a declarat: „Acest lucru ar putea crea o clasă complet nouă de intervenții ortotice care nu există în prezent, ceea ce ar putea întârzia intervențiile chirurgicale sau chiar să le evite.”
În cadrul unor studii anterioare, exoscheletele dezvoltate de echipa lui Gregg au redus efortul depus de participanți cu:
- 14,5% în efortul quadricepsului cu exoscheletele pentru genunchi
- 19,1% în torsiunea gleznei cu exoscheletele pentru gleznă
- 25% în munca depusă de șold cu exoscheletele pentru șold
Un studiu pilot a fost realizat cu patru persoane care sufereau de osteoartrită la genunchi, toate experimentând o reducere a durerii. „Dacă reduci forțele musculare de vârf la nivelul articulației, reduci încărcările maxime ale mușchilor contractili care trag articulația împreună. Reduci acel vârf și reduci durerea artritică.”
Înainte de a invita participanții la studiu în laborator, cercetătorii vor optimiza exoscheletele pentru a reduce durerea provocată de artrită. Echipa lui Gregg are experiență în modelarea efortului muscular și a torsiunii articulațiilor, dar nu a explorat anterior detaliile proceselor din interiorul articulațiilor.
Acum, ei vor analiza modelele musculo-scheletale pentru a cuantifica modul în care asistența oferită de exoschelete reduce forțele de contact os pe os și, prin urmare, durerea în articulațiile afectate de artrită. Informațiile obținute vor fi folosite pentru a adapta algoritmul de control al exoscheletului, astfel încât să reducă forțele de contact în loc de a se concentra doar pe efortul muscular, evaluând în cele din urmă efectele asupra durerii raportate de participanți în diverse activități.
Algoritmul de control va fi bazat pe abordarea „modelării energiei” promovată de grupul lui Gregg, care a contribuit la succesul anterior al exoscheletelor bazate pe orteze. Strategiile de control mai vechi se bazau adesea pe presupuneri referitoare la intențiile utilizatorului, cum ar fi urcarea scărilor sau așezarea într-un scaun. În schimb, algoritmul de modelare a energiei analizează mișcarea actuală a utilizatorului și prezice câtă forță este necesară în următoarea fracțiune de secundă. Aceste predicții sunt realizate pe baza unor modele de mișcare umană obținute prin date de captare a mișcării și fizică.
Designul exoscheletelor va fi similar cu cel al inițiativelor anterioare menite să crească forța. Echipa, inclusiv co-investigatorul Elliott Rouse, profesor asociat de robotică la U-M, utilizează motoare „pancake” populare în industria dronelor. Principalul avantaj al acestor motoare este cuplul mare la viteze mici, oferind o forță similară cu cea a articulațiilor umane.
Motoarele anterioare, care erau suficient de mici pentru a fi montate pe orteze pentru genunchi, necesitau mai multe roți dințate pentru a oferi un cuplu mai mare. Roțile dințate sunt mai zgomotoase și mai greu de manevrat invers, rezultând exoschelete rigide și zgomotoase, asemănătoare cu un burghiu casnic. Motoarele pancake oferă atât puterea, cât și funcționarea lină necesară pentru compatibilitatea cu mișcarea umană, fiind aproape silențioase.
Co-investigatorii Edward Wojtys, profesor la Smith Legacy în chirurgie ortopedică, și Damon Bagley-Ayres, specialist certificat în proteze și orteze pentru Michigan Medicine, vor recruta participanți cu osteoartrită și vor susține trialul clinic. Steven Harte, profesor asociat de anestezie și medicină la Michigan Medicine, va sprijini evaluarea riguroasă a durerii.
Deși acest studiu este unul de laborator, Gregg speră să trimită exoscheletele acasă cu utilizatorii pentru a observa dacă aceste dispozitive reduc ciclul vicios al atrofiei musculare care însoțește osteoartrita. Deoarece exoscheletele facilitează fiecare pas, atrofia musculară ar putea să se agraveze dacă utilizatorii nu se mișcă mai mult. Echipa consideră că, dacă utilizatorii exos pot să se miște cu mai puțină durere, vor fi mai activi, iar creșterea nivelului de activitate cumulativă ar putea întări mușchii utilizatorilor de exoschelete.
