Tecnologia Científica

A pesquisa do exoesqueleto de Stanford demonstra a importância do treinamento
Uma nova pesquisa mostra que os benefícios que as pessoas podem colher dos exoesqueletos dependem muito de ter tempo para treinar com o dispositivo.
Por Taylor Kubota - 29/09/2021


Emulador de exoesqueleto de tornozelo no Laboratório de Biomecatrônica. (Crédito da imagem: Guan Rong Tan e Michael Raitor)

Dispositivos de exoesqueleto funcionam, dizem os pesquisadores, para uma variedade de usos, como acelerar nossa caminhada ou facilitar a corrida . No entanto, eles não sabem exatamente o que torna os exoesqueletos eficazes. Qual é a vantagem da personalização, por exemplo? E quanto importa simplesmente se acostumar com o exoesqueleto? Pesquisadores do Laboratório de Biomecatrônica de Stanford na Universidade de Stanford examinaram essas questões e descobriram que o treinamento desempenha um papel notavelmente significativo em quão bem os exoesqueletos fornecem assistência.

“As pessoas são incríveis em aprender novas tarefas”, disse Katherine Poggensee, PhD '21, ex-membro do Laboratório de Biomecatrônica de Stanford. “E assim, apenas com treinamento - apenas dando às pessoas tempo para aprender como usar o dispositivo por conta própria - elas podem obter grandes benefícios de nossos dispositivos.”

Para descobrir os segredos do sucesso do exoesqueleto, Poggensee e Steve Collins , professor associado de engenharia mecânica e líder do Laboratório de Biomecatrônica, monitoraram o progresso de 15 pessoas equipadas com um emulador de exoesqueleto de tornozelo - um dispositivo que se conecta ao calçado e ao redor da haste de as pernas de uma pessoa e imita um exoesqueleto avançado, mas permite uma ampla personalização e ajuste fino por meio de controladores especiais baseados em laboratório.

Essas pessoas nunca haviam usado um exoesqueleto antes, mas embora todas tenham se beneficiado do treinamento, diferentes abordagens produziram resultados muito diferentes. Os participantes que receberam as condições de treinamento mais vantajosas gastaram quase 40% menos energia enquanto caminhavam com a ajuda do exoesqueleto em comparação com a caminhada com o exoesqueleto desligado. Entre todos os participantes, os pesquisadores determinaram que o treinamento contribuiu com cerca de metade do benefício geral oferecido pelo exoesqueleto. A pesquisa é detalhada em um artigo publicado em 29 de setembro na Science Robotics .

“A principal mensagem para nossos colegas é: Precisamos aprimorar nosso jogo experimental. Precisamos realmente treinar as pessoas ”, disse Collins, que descreve a experiência do exoesqueleto menos como vestir uma armadura inteligente de super-herói e mais como andar de bicicleta. “Depois de aprender a fazer isso bem, você pode simplesmente colocar o exoesqueleto e começar a andar e é fácil - mas se tornar um especialista leva algum tempo.”

Tomando o tempo

Os pesquisadores se concentraram em três questões principais: Podemos treinar as pessoas para usar exoesqueletos apenas dando a elas um dispositivo e fazendo-as andar por um longo tempo? Podemos ajudar as pessoas a treinarem mais rápido se as expusermos a uma variedade de comportamentos do exoesqueleto? E, uma vez que as pessoas estão totalmente treinadas, como o controle personalizado do exoesqueleto afeta o desempenho?

Os participantes foram colocados em três grupos principais, cada um dos quais experimentou cinco dias de treinamento. Um grupo recebeu assistência genérica do emulador de exoesqueleto (com base no que ajudou os participantes no passado), outro experimentou a otimização contínua do dispositivo para suas necessidades específicas ao longo do estudo e o terceiro grupo experimentou uma otimização que era redefinida a cada dia. Como esperado, os participantes do grupo de otimização contínua viram a maior queda no gasto de energia e, como foram expostos a alguma variedade no comportamento do exoesqueleto, obtiveram esses benefícios mais rapidamente.

“O que não esperávamos era o desempenho das pessoas”, disse Poggensee.

As pessoas do grupo mais vantajoso - otimização contínua e exposição a uma variedade moderada - foram as que reduziram seus custos de energia em quase 40%. (E muitos participantes nem perceberam o quanto o exoesqueleto estava ajudando até que voltaram a andar com ele desligado.) Comparando todos os testes, os pesquisadores determinaram que o treinamento foi responsável por cerca de metade dessa melhoria e cerca de um quarto foi devido para personalização. Poggensee enfatizou que a personalização provavelmente seria ainda mais importante para pessoas com problemas de mobilidade.

Outra surpresa foi quanto tempo levou para os participantes se tornarem “especialistas”, o que os pesquisadores definiram como o ponto em que suas melhorias de energia se estabilizaram. Isso levou cerca de duas horas nos emuladores de exoesqueleto, o equivalente a cinco milhas de caminhada. Isso pode não parecer muito, mas é um compromisso substancial para estudos de laboratório.

“Felizmente para os usuários de produtos futuros, esperamos que as pessoas acumulem muita exposição ao longo de sua primeira semana com um dispositivo. Portanto, isso não deve inibir ou impedir que se tornem especialistas nesse contexto ”, disse Collins, que também é docente afiliado do Instituto de Inteligência Artificial Centrada no Homem ( HAI ) de Stanford , que financiou esta pesquisa. “Mas, se realmente quisermos entender como as pessoas respondem a algum novo dispositivo no laboratório, precisaremos de protocolos longos.”

Melhor treinamento

Esta pesquisa aponta para o valor de uma melhor compreensão do treinamento, incluindo como as pessoas se acostumam com os dispositivos de mobilidade e como o treinamento pode ser melhorado.

“Uma grande lição para mim é que precisamos permitir que nossos participantes conduzam nossa pesquisa”, disse Poggensee. “Precisamos dar a eles tempo para realmente aprenderem como usar o dispositivo, para não interferir em nada do aprendizado.”

O interesse da equipe também foi despertado pelo fato de que, mesmo depois de os participantes serem qualificados como especialistas, ainda havia melhorias lentas em seu desempenho ao longo de dezenas de horas de treinamento. Para realmente obter o máximo dos exoesqueletos, os pesquisadores podem precisar estudar como os próprios corpos das pessoas estão se adaptando; por exemplo, a forma como os músculos se fortalecem para aproveitar melhor o dispositivo.

Por enquanto, Collins e seu laboratório estão estudando como acelerar a aquisição de expertise, incluindo uma colaboração com a cientista da computação de Stanford Emma Brunskill. E ele está cada vez mais otimista sobre o potencial de exoesqueletos se tornarem um dispositivo comum na vida de muitas pessoas.

“Os exoesqueletos estão chegando”, disse Collins. “Eles vão melhorar a sua vida e, quando você se acostumar com eles, talvez nem perceba.”

Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pelo Stanford Human-Centered Artificial Intelligence Grant Program. Collins também é membro do Stanford Bio-X e do Wu Tsai Neurosciences Institute .

 

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