Un exosquelette souple peut s'adapter automatiquement aux besoins de la marche
Notre démarche change constamment. Nous modifions notre vitesse et nous adaptons aux pentes sans même y penser. En raison de cette variabilité, il est difficile de reproduire la marche avec des exosquelettes. Cependant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont mis au point une approche qui règle automatiquement un exosquelette souple en fonction de la façon dont la personne marche.
En règle générale, adapter un exosquelette à la démarche demande plusieurs heures de réglage manuel ou automatique. Ce processus peut être difficile pour une personne en bonne santé, et parfois presque impossible pour les personnes âgées ou les patients en clinique.
Les chercheurs de SEAS adoptent une approche unique pour concevoir leur exosquelette. Plutôt que de se concentrer sur les mouvements dynamiques des membres de l'utilisateur, ils ont créé une stratégie d'assistance fondée sur les muscles.
« Nous avons enregistré la dynamique du muscle soléaire chez des personnes, à l'aide d'échographies, à différentes vitesses de marche et sur différentes pentes. À partir de ces images préenregistrées, nous avons estimé la force produite par le muscle soléaire grâce à une contraction concentrique inefficace, puis nous avons élaboré un profil d'assistance de l'exosquelette proportionnel à cette force estimée. Nous avons évalué cette approche à l'aide d'un exosquelette bilatéral de cheville pour chaque tâche de marche mesurée », ont indiqué les chercheurs.
Grâce à cette stratégie, un système échographique portable réalise des mesures ultrasonores des muscles du mollet. Ces mesures permettent d'estimer la force produite par ces muscles. À partir de ces mesures, les chercheurs élaborent un profil d'assistance personnalisé. L'exosquelette détermine ensuite automatiquement le niveau d'assistance nécessaire pour différentes vitesses de marche et pentes. L'exosquelette fournit une force d'assistance moindre pour aider quelqu'un à marcher.
« Nous avons utilisé les ultrasons pour regarder sous la peau et mesurer directement ce que font les muscles de l'utilisateur pendant plusieurs tâches de marche. Nos muscles et nos tendons sont souples, ce qui signifie qu'il n'existe pas forcément de correspondance directe entre le mouvement des membres et le mouvement des muscles principaux qui les commandent »
Ce qui distingue cette méthode des précédentes, c'est la capacité de l'exosquelette à déterminer automatiquement l'assistance dont la personne a besoin en marchant à différentes vitesses et sur différentes pentes. L'exosquelette n'a besoin que de quelques secondes de marche pour enregistrer le profil musculaire.
Selon les chercheurs, cet exosquelette peut s'adapter rapidement aux conditions réelles. Lorsque les scientifiques ont mesuré l'énergie métabolique utilisée avec et sans la combinaison, ils ont constaté que celle-ci réduit nettement la quantité d'énergie métabolique consommée.
Sanjun Li, doctorant à SEAS et coauteur de l'étude, a déclaré : « En mesurant directement les muscles, nous pouvons travailler de manière plus intuitive avec la personne qui utilise l'exosquelette. Avec cette approche, l'exosquelette ne domine pas son utilisateur, il travaille avec lui ».
Cette étude est le fruit d'une collaboration entre le Harvard Biorobotics Laboratory et le Harvard Biodesign Lab, dirigé par Conor J. Walsh, professeur d'ingénierie et de sciences appliquées à SEAS. Les chercheurs de SEAS prévoient d'aller plus loin en testant le fonctionnement du système avec des ajustements constants en temps réel.
« La variation de la démarche humaine dépend de la physiologie individuelle, de l'environnement et de la tâche de marche. Il existe donc un besoin évident, dans le domaine de la robotique portable, d'adapter l'assistance à l'utilisateur et à la tâche. Ici, nous avons conçu une stratégie d'assistance fondée sur les muscles, dans laquelle l'assistance de l'exosquelette est dérivée de mesures directes de la dynamique musculaire humaine pendant des tâches spécifiques », indique l'étude.
Lors d'essais en conditions réelles, l'exosquelette a pu s'adapter rapidement aux changements de vitesse de marche et de pente.
« Cette approche peut favoriser le déploiement de robots portables dans des situations dynamiques réelles, en offrant une assistance confortable et adaptée »
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