El giro robótico imita la eficiencia del caminar humano

Resumen: Los investigadores han logrado un avance significativo en robótica al replicar la marcha a velocidad variable similar a la humana utilizando un modelo musculoesquelético. Este modelo, impulsado por un método de control reflejo similar al sistema nervioso humano, mejora nuestra comprensión de la locomoción humana y establece nuevos estándares para la tecnología robótica.

El estudio utilizó un algoritmo innovador para optimizar la eficiencia energética a distintas velocidades de marcha. Este avance allana el camino para futuras innovaciones en robots bípedos, prótesis y exoesqueletos motorizados.

Aspectos principales:

1. El equipo de la Universidad de Tohoku replicó con éxito los mecanismos de la marcha humana en un modelo robótico, reflejando la complejidad del sistema nervioso y musculoesquelético humano.
2. Se desarrolló un algoritmo avanzado para optimizar la eficiencia energética, que es fundamental para replicar la marcha natural de los humanos a velocidad variable.
3. Esta investigación tiene un inmenso potencial para lograr avances en robots bípedos, prótesis y exoesqueletos eléctricos, mejorando las soluciones de movilidad y la robótica cotidiana.

Fuente: Universidad de Tohoku

Normalmente no pensamos en ello mientras lo hacemos, pero caminar es una tarea complicada. Controlados por nuestro sistema nervioso, nuestros huesos, articulaciones, músculos, tendones, ligamentos y otros tejidos conectivos (es decir, el sistema musculoesquelético) deben moverse en coordinación y responder a cambios o perturbaciones inesperados a velocidades variables de una manera altamente eficiente. Replicar esto en tecnologías robóticas no es poca cosa.

Ahora, un equipo de investigación de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Tohoku ha replicado la marcha a velocidad variable similar a la humana utilizando un modelo musculoesquelético, impulsado por un método de control reflejo que refleja el sistema nervioso humano. Este avance en biomecánica y robótica establece un nuevo punto de referencia en la comprensión del movimiento humano y allana el camino para tecnologías robóticas innovadoras.

Los detalles de su estudio fueron publicados en la revista. Biología computacional PLoS el 19 de enero de 2024.

«Nuestro estudio abordó el complejo desafío de replicar la marcha eficiente a varias velocidades, una piedra angular del mecanismo de la marcha humana», enfatiza el profesor asociado Dai Owaki y coautor del estudio junto con Shunsuke Koseki y el profesor Mitsuhiro Hayashibe.

«Estos conocimientos son fundamentales para ampliar los límites de la comprensión de la locomoción, la adaptación y la eficiencia humanas».

El resultado fue gracias a un algoritmo innovador. El algoritmo evolucionó más allá del método de mínimos cuadrados convencional y ayudó a diseñar un modelo de circuito neuronal optimizado para la eficiencia energética en diferentes velocidades de caminata.

Un análisis en profundidad de estos circuitos neuronales, particularmente aquellos que controlan los músculos en la fase de balanceo de las piernas, ha revelado elementos críticos de las estrategias de caminata para ahorrar energía. Estas revelaciones mejoran nuestra comprensión de los complejos mecanismos de las redes neuronales que subyacen a la marcha humana y su eficacia.

Owaki enfatiza que el conocimiento descubierto en el estudio ayudará a sentar las bases para futuros avances tecnológicos.

“La exitosa emulación de la marcha a velocidad variable en un modelo musculoesquelético, combinada con sofisticados circuitos neuronales, marca un avance fundamental en la fusión de la neurociencia, la biomecánica y la robótica. Revolucionará el diseño y desarrollo de robots bípedos de alto rendimiento, prótesis avanzadas y exoesqueletos de última generación”.

Estos avances podrían mejorar las soluciones de movilidad para personas con discapacidad y hacer avanzar las tecnologías robóticas utilizadas en la vida cotidiana.

De cara al futuro, Owaki y su equipo esperan perfeccionar aún más la estructura de control de reflejos para recrear una gama más amplia de velocidades y movimientos al caminar humanos. También planean aplicar los conocimientos y algoritmos del estudio para crear prótesis, trajes eléctricos y robots bípedos más adaptables y energéticamente eficientes. Esto incluye integrar los circuitos neuronales identificados en estas aplicaciones para mejorar su funcionalidad y naturalidad de movimiento.

Acerca de esta noticia de investigación en robótica

Autor: Relaciones públicas
Fuente: Universidad de Tohoku
Contacto: Relaciones Públicas – Universidad de Tohoku
Imagen: Crédito de la imagen a Neuroscience News.

Investigacion original: Acceso libre.
“Identificación de factores esenciales para el control de la marcha con eficiencia energética en una amplia gama de velocidades en sistemas musculoesqueléticos basados ​​en reflejos» por Dai Owaki et al. Biología computacional PLOS

Abstracto

Identificación de factores esenciales para el control de la marcha con eficiencia energética en una amplia gama de velocidades en sistemas musculoesqueléticos basados ​​en reflejos

Los humanos pueden generar y mantener una amplia gama de velocidades al caminar mientras optimizan su eficiencia energética. Comprender los complejos mecanismos que gobiernan la marcha humana contribuirá a aplicaciones de ingeniería como robots bípedos energéticamente eficientes y dispositivos de asistencia para caminar. Los mecanismos de control basados ​​en reflejos, que generan patrones motores en respuesta a la retroalimentación sensorial, se han mostrado prometedores a la hora de generar una marcha similar a la humana en modelos musculoesqueléticos.

Sin embargo, la regulación precisa de la velocidad sigue siendo un gran desafío. Esta limitación dificulta la identificación de los circuitos reflejos esenciales para caminar con eficiencia energética. Para explorar el mecanismo de control de reflejos y obtener una mejor comprensión de su mecanismo para mantener la eficiencia energética, ampliamos el sistema de control basado en reflejos para permitir velocidades de marcha controladas según las velocidades objetivo.

Desarrollamos un nuevo método de mínimos cuadrados ponderados por rendimiento (PWLS) para diseñar un modulador de parámetros que optimice la eficiencia de la marcha mientras mantiene la velocidad objetivo para el sistema bípedo basado en reflejos.

Generamos con éxito marchas de 0,7 a 1,6 m/s en un modelo musculoesquelético bidimensional basado en una velocidad objetivo de entrada en el entorno de simulación. Nuestro análisis detallado del modulador de parámetros en un sistema basado en reflexión reveló dos circuitos reflejos clave que tienen un impacto significativo en la eficiencia energética.

Además, se confirmó que este resultado no se ve afectado por la configuración de parámetros, es decir, la longitud de la pierna, el retraso sensorial y los coeficientes de peso en la función de costo objetivo.

Estos hallazgos proporcionan una poderosa herramienta para explorar las bases neuronales del control de la locomoción, arrojan luz sobre los intrincados mecanismos que subyacen a la marcha humana y tienen un potencial significativo para aplicaciones prácticas de ingeniería.