Avanços em Exoesqueletos de Membros Inferiores

Nos últimos anos, os exoesqueletos de membros inferiores melhoraram muito na ajuda para as pessoas caminharem e correrem de forma mais eficiente. Esses dispositivos evoluíram graças aos avanços tecnológicos, como motores, baterias e designs melhores. Os pesquisadores estão focados em como fazer esses exoesqueletos funcionarem melhor em situações reais, em vez de só em condições controladas de laboratório. Eles estão trabalhando em algumas áreas-chave: encontrar a melhor forma de fornecer assistência, fazer os dispositivos responderem aos movimentos do usuário e garantir que eles possam ser usados para diferentes tipos de caminhada.

Uma ferramenta promissora nessa pesquisa são as simulações musculoesqueléticas. Essas simulações ajudam os pesquisadores a entender como os músculos interagem com os exoesqueletos e dão insights de como os músculos funcionam durante o movimento.

#Simulações Musculoesqueléticas

As simulações musculoesqueléticas são modelos baseados em computador que imitam como nossos músculos e articulações trabalham juntos. Essas simulações deram informações valiosas sobre como os exoesqueletos podem ajudar os músculos a armazenar e liberar energia, como as fibras musculares mudam durante o movimento e quanta energia nossos corpos usam em diferentes atividades. Porém, as simulações nem sempre batem com os experimentos da vida real. Os pesquisadores encontraram discrepâncias entre o que as simulações preveem e o que acontece no movimento real. Isso pode acontecer por causa das simplificações feitas nos modelos, como ignorar interações complexas entre o usuário e o dispositivo.

#Foco Atual

A maioria dos estudos sobre exoesqueletos analisou a caminhada em um ritmo padrão, mesmo que as pessoas caminhem em várias velocidades durante o dia. Algumas pesquisas exploraram a caminhada com peso extra, mas menos atenção foi dada a outras atividades, como subir escadas ou caminhar em velocidades diferentes. Apenas alguns estudos investigaram como os exoesqueletos podem ajudar ao caminhar mais rápido ou mais devagar que o ritmo preferido.

Exoesqueletos baseados em molas e os movidos a motor têm diferentes formas de ajudar os movimentos. Dispositivos baseados em molas usam um mecanismo de mola para armazenar e liberar energia, enquanto dispositivos movidos a motor usam motores para fornecer assistência. Cada tipo de dispositivo também pesa diferente, o que pode influenciar como eles afetam o movimento.

#Objetivos do Estudo

O objetivo deste estudo foi simular e comparar como esses dois tipos de assistência-baseada em molas e movida a motor-afetam a dinâmica muscular e o uso de energia ao caminhar em diferentes velocidades. Os pesquisadores acreditavam que ambos os tipos de assistência levariam a um menor esforço muscular e uso de energia, sendo a assistência movida a motor mais eficaz. Eles também hipotetizaram que ajudar nos movimentos do tornozelo teria o maior impacto na redução do uso de energia.

#Processo de Simulação

Para conduzir o estudo, os pesquisadores usaram modelos musculoesqueléticos para estimar como os músculos funcionam durante a caminhada. Eles começaram com dados de experimentos anteriores, que incluíam detalhes sobre como as pessoas caminham em diferentes velocidades. Usando esses dados, ajustaram seus modelos para representar melhor os movimentos reais dos humanos. Eles focaram em como músculos específicos trabalham juntos e quanta energia eles usam.

Os pesquisadores ajustaram os parâmetros do modelo para alinhar a atividade muscular simulada com dados da vida real, garantindo que a simulação refletisse com precisão os padrões de caminhada reais.

#Dados Experimentais

O estudo envolveu dados coletados de um grupo de indivíduos saudáveis que caminharam em uma esteira a várias velocidades. Os pesquisadores registraram como esses participantes se moviam e mediram as forças que atuavam em seus corpos. Essa informação foi essencial para construir simulações precisas.

#Modelo Musculoesquelético e Análise

Os pesquisadores usaram um modelo musculoesquelético genérico, que ajustaram com base nas características físicas dos participantes. Eles analisaram cuidadosamente os movimentos em diferentes velocidades para entender como músculos e articulações interagem ao caminhar.

#Ajustando Parâmetros Musculares

Para deixar as simulações o mais precisas possível, os pesquisadores ajustaram vários parâmetros musculares. Eles focaram em aspectos-chave como comprimentos musculares e como eles respondem a diferentes movimentos. Esse processo de ajuste ajudou a garantir que a atividade muscular simulada correspondesse às observações da vida real.

#Resolvendo a Redundância Muscular

Uma parte crucial das simulações musculares envolve resolver a redundância muscular-entender como vários músculos podem alcançar o mesmo movimento. Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem de otimização para encontrar a melhor forma de distribuir o esforço muscular, visando minimizar a atividade muscular necessária para caminhar.

#Determinando Momentos Assistivos

Os pesquisadores calcularam como os momentos assistivos dos dispositivos baseados em molas e movidos a motor poderiam ajudar grupos musculares específicos durante a caminhada. Eles modelaram esses momentos assistivos para determinar a melhor forma de ajudar os movimentos e reduzir o esforço muscular.

#Assistência Baseada em Motor vs. Baseada em Molas

Os resultados mostraram diferenças distintas entre como os dois modos assistivos afetaram a atividade muscular e o uso de energia. A assistência movida a motor foi geralmente mais eficaz na redução dos custos de energia do que a assistência baseada em molas.

Quando os movimentos do tornozelo receberam ajuda dos motores, os participantes mostraram reduções significativas na energia utilizada. Em contraste, a assistência baseada em molas teve efeitos variados, às vezes resultando em maior uso de energia por causa da interação da mola com os movimentos musculares.

#Cálculo da Taxa de Energia

Para cada condição de caminhada, os pesquisadores calcularam o uso de energia associado à atividade muscular. Isso permitiu que eles comparassem os efeitos de diferentes estratégias assistivas nos custos de energia geral.

#Resultados

As descobertas revelaram que os dispositivos assistivos poderiam alterar significativamente a atividade muscular e o gasto energético. Com a assistência movida a motor, a ativação muscular diminuiu substancialmente, levando a custos de energia mais baixos. No entanto, a assistência baseada em molas mostrou resultados mistos, demonstrando que poderia reduzir alguma atividade muscular, mas às vezes resultava em um aumento no gasto energético.

#Assistência ao Tornozelo

Ao ajudar o tornozelo com suporte movido a motor, os pesquisadores observaram que esse modo reduziu tanto a ativação muscular quanto a energia total usada. O músculo responsável por empurrar o pé para baixo mostrou uma redução significativa na ativação, o que, por sua vez, levou a custos de energia diminuídos durante o movimento.

Por outro lado, a assistência baseada em molas reduziu a ativação muscular durante velocidades de caminhada mais lentas, mas foi menos eficaz em velocidades mais altas. Essa variação destacou a importância de adaptar a assistência a condições específicas de caminhada.

#Assistência à Extensão do Joelho

Para a assistência à extensão do joelho, a abordagem movida a motor foi eficaz em ajudar a reduzir a atividade muscular durante fases específicas da caminhada. Essa assistência foi especialmente notável nas fases iniciais da caminhada, onde a ativação muscular diminuiu significativamente.

A assistência baseada em molas para o joelho, embora um pouco eficaz, não alcançou o mesmo nível de economia de energia que a abordagem movida a motor. Os resultados ilustraram que nem todas as formas de assistência oferecem benefícios iguais na redução dos custos de energia.

#Assistência à Flexão do Quadril

A assistência movida a motor para a flexão do quadril provou ser benéfica, especialmente em velocidades mais rápidas. Os resultados mostraram uma redução significativa na ativação muscular e no gasto energético, particularmente durante a fase de impulso da caminhada.

Em contraste, a assistência baseada em molas para a flexão do quadril teve efeitos limitados na economia de energia. Embora reduzisse a atividade muscular, o custo energético total não diminuiu significativamente, sugerindo que o suporte motorizado é mais eficaz para esse tipo de movimento.

#Assistência à Abdução do Quadril

A assistência movida a motor para a abdução do quadril demonstrou uma redução substancial na atividade muscular em diferentes velocidades de caminhada. No entanto, embora tenha ajudado a diminuir o esforço necessário, o gasto energético permaneceu relativamente estável.

A assistência baseada em molas para a abdução do quadril mostrou menos promessas, com apenas pequenas reduções na atividade muscular, que não se traduziram em economias significativas de energia. Os resultados indicaram que o suporte movido a motor é crucial para otimizar a eficiência energética durante a caminhada.

#Conclusão

Este estudo destaca a relação complexa entre a atividade muscular, o gasto energético e as tecnologias assistivas. Embora a assistência movida a motor geralmente tenha superado os métodos baseados em molas na redução dos custos de energia, ambas as abordagens podem impactar positivamente a dinâmica muscular durante a caminhada.

As descobertas também sugerem que um aumento na ativação muscular nem sempre se correlaciona com um menor uso de energia. Compreender os diferentes efeitos de cada método de assistência nas economias de energia é crucial para projetar exoesqueletos mais eficazes no futuro.

#Direções Futuras

Seguindo em frente, mais estudos precisarão refinar os modelos usados para levar em conta as variações nos padrões de movimento humano ao usar dispositivos assistivos. Explorar abordagens mais personalizadas para a assistência pode levar a uma eficiência e eficácia ainda maiores, beneficiando os usuários em suas atividades diárias.

Incorporar uma gama mais ampla de atividades e velocidades em pesquisas futuras ajudará a entender melhor como os exoesqueletos podem fornecer assistência ideal. No final, esses avanços podem abrir caminho para uma nova geração de dispositivos de mobilidade que melhorem a vida das pessoas, tornando a caminhada e a corrida mais fáceis e eficientes.