Oportunidades e desafios no desenvolvimento de exoesqueletos para assistência locomotora

Nature Biomedical Engineering volume 7, páginas 456–472 (2023) Citar este artigo

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Os exoesqueletos podem aumentar o desempenho de usuários intactos e restaurar o movimento em indivíduos com deficiências na marcha. O conhecimento de como os usuários interagem com dispositivos vestíveis e da fisiologia da locomoção informou o design de exoesqueletos rígidos e macios que podem atingir especificamente uma única articulação ou uma única atividade. Nesta revisão, destacamos os principais avanços das últimas duas décadas na tecnologia de exoesqueletos e no desenvolvimento de exoesqueletos de membros inferiores para assistência locomotora, discutimos as necessidades de pesquisa para esses robôs vestíveis e os requisitos clínicos para a reabilitação da marcha assistida por exoesqueleto e descrevemos os principais desafios clínicos e oportunidades para a tecnologia de exoesqueleto.

Os exoesqueletos que auxiliam na locomoção entraram na imaginação popular há mais de um século, seguidos por uma série de patentes e protótipos iniciais1,2,3,4,5. Entre outros avanços no final do século XX e início do século XXI, o financiamento do Exoskeleton for Human Performance Augmentation Program6 da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dos Estados Unidos permitiu o desenvolvimento de dispositivos robóticos vestíveis para as extremidades inferiores (em em particular, o exoesqueleto de extremidade inferior de Berkeley, BLEEX7,8; o Sarcos Guardian XO9; e o exoesqueleto quase passivo do MIT10,11,12,13) ​​para aumentar a força e reduzir o esforço durante o transporte de carga. Ao tirar a carga do usuário e fornecer torques articulares auxiliares durante a caminhada, esses exoesqueletos de membros inferiores com sustentação de peso procuraram aumentar a capacidade de carga, melhorar a eficiência e a resistência e reduzir a dificuldade percebida de caminhar11, potencialmente beneficiando militares, socorristas e fim de semana guerreiros. Medir o custo metabólico da locomoção auxiliada por exoesqueleto tornou-se o padrão ouro para quantificar o esforço e esforço do usuário. Como tal, demonstrar reduções de custo metabólico em comparação com andar sem o robô tornou-se um objetivo importante para exoesqueletos projetados para aumentar a força e o desempenho. Apesar de sua promessa, os exoesqueletos de membros inferiores para aumento de desempenho em usuários não comprometidos inicialmente falharam em demonstrar reduções de custos metabólicos em comparação com a caminhada sem os exoesqueletos14,15,16. Portanto, hardware mais leve e sistemas autônomos foram desenvolvidos e testados em experimentos orientados por objetivos, com sistemas de articulação única testados para explorar mecanismos biológicos subjacentes. Esses avanços tecnológicos permitiram que os exoesqueletos atendessem aos objetivos previstos de reduzir o custo metabólico durante a locomoção carregada ou descarregada para aplicações militares, industriais e recreativas.

Juntamente com o desenvolvimento de exoesqueletos para melhorar o desempenho do transporte de carga, dispositivos (em particular, o Lokomat17, Gait Trainer18, exoesqueleto motorizado para membros inferiores (LOPES)19, exoesqueleto de perna ativa (ALEX)20,21 e Rutgers Ankle22) foram projetados para mecanizar fisioterapia para indivíduos que estão reaprendendo a andar após lesão medular (LM) ou acidente vascular cerebral. A prática clínica comum exige que os fisioterapeutas movam manualmente os pés e as pernas de pacientes não ambulatoriais por meio de movimentos de caminhada para facilitar a reaprendizagem dos padrões de movimento para melhoria funcional23. Dispositivos robóticos foram desenvolvidos para aliviar esse fardo dos fisioterapeutas e melhorar os resultados dos pacientes, fornecendo intervenções precisas e treinamento em intensidades ideais, sem restrições pelos limites da assistência manual. Os exoesqueletos inicialmente falharam em mostrar melhorias clínicas que justificariam seu custo em comparação com métodos tradicionais de treinamento de marcha não robótica24,25,26,27,28,29,30. No entanto, uma melhor compreensão da biomecânica e da fisiologia subjacentes levou a uma melhoria no design do exoesqueleto, incluindo estratégias biologicamente inspiradas para atuação e controle31,32,33,34,35,36. Por exemplo, o 'controle cooperativo do paciente' foi implementado em dispositivos para reabilitação da marcha para permitir uma assistência mais individualizada37,38,39,40,41,42,43. Essas abordagens de 'ajudar conforme necessário' são particularmente importantes para aumentar a marcha de indivíduos com alguma função de caminhada residual, ao mesmo tempo em que incentivam suas próprias contribuições.