Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han demostrado un nuevo método que aprovecha la inteligencia artificial (IA) y simulaciones por computadora para entrenar exoesqueletos robóticos para ayudar a los usuarios a caminar, correr y subir escaleras por sí solos. La automatización puede ayudar a ahorrar energía.
“Este trabajo propone y demuestra un novedoso marco de aprendizaje automático que diferencia entre simulación y realidad para controlar de forma autónoma robots portátiles para mejorar la movilidad y la salud humanas”, dice Hao Su, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo que se publicará. En la revista del 12 de junio. La naturaleza.
“Los exoesqueletos tienen un enorme potencial para mejorar el rendimiento locomotor humano”, afirma Su, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Sin embargo, su desarrollo y difusión generalizada está limitado por la necesidad de pruebas prolongadas en humanos y regímenes de control hechos a mano.
“La idea clave aquí es que la IA incorporada en un exoesqueleto portátil está aprendiendo cómo ayudar a las personas a caminar, correr o trepar en una simulación por computadora, sin ningún experimento”, dice Su.
En particular, los investigadores se centraron en mejorar el control autónomo de los sistemas de IA incorporados, sistemas en los que un programa de IA está integrado en la tecnología de robots físicos. Este trabajo se centró en enseñar a un exoesqueleto robótico cómo ayudar a personas sanas con diversos movimientos. Normalmente, los usuarios pasan horas “entrenando” un exoesqueleto para que la tecnología sepa cuánta fuerza se necesita (y cuándo aplicar esa fuerza) para que los usuarios caminen, corran o suban escaleras. El nuevo método permite a los usuarios utilizar exoesqueletos de forma inmediata.
“Este trabajo básicamente hace realidad la ciencia ficción, permitiendo a las personas quemar menos energía durante diversas tareas”, dice Su.
“Hemos desarrollado una forma de entrenar y controlar robots portátiles para beneficiar directamente a los humanos”, dice Schusen Luo, primer autor del artículo y ex investigador postdoctoral en NC State. Luo es ahora profesor asistente en la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle.
Por ejemplo, en pruebas con sujetos humanos, los investigadores encontraron que los participantes del estudio usaban un 24,3 por ciento menos de energía metabólica cuando caminaban en un exoesqueleto robótico que cuando caminaban sin exoesqueleto. Los participantes utilizaron un 13,1% menos de energía al correr en el exoesqueleto y un 15,4% menos de energía al subir escaleras.
“Es importante tener en cuenta que esta pérdida de energía compara el rendimiento del exoesqueleto robótico con el de un usuario que no usa el exoesqueleto”, dice Su. “Eso significa que es una medida precisa de cuánta energía ahorra el exoesqueleto”.
Si bien la investigación se centró en el trabajo de los investigadores con personas sanas, el nuevo método también es aplicable a aplicaciones de exoesqueletos robóticos destinadas a ayudar a personas con problemas de movilidad.
“Nuestro marco puede ofrecer una estrategia general y escalable para el rápido desarrollo y la adopción generalizada de robots de asistencia tanto para personas sanas como para personas con movilidad reducida”.
“Estamos en las primeras etapas de prueba del desempeño de un nuevo método en exoesqueletos robóticos utilizados por adultos mayores y personas con afecciones neurológicas como parálisis cerebral. ¿Cómo puede mejorar el desempeño de la población de amputados?”.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias bajo los premios 1944655 y 2026622. Instituto Nacional de Investigación sobre Discapacidad, Vida Independiente y Rehabilitación, con el premio 90DPGE0019 y la beca de investigación Suiza SFGE22000372; y los Institutos Nacionales de Salud, bajo el premio 1R01EB035404.
Shuzhen Luo y Hao Su son co-inventores de la propiedad intelectual relacionada con el controlador analizado en este trabajo. Su también es cofundador y tiene intereses financieros en Picasso Intelligence, LLC, que fabrica exoesqueletos.
