Un exoesqueleto pasivo que reduce el coste energético al caminar

Dibujo20150610 Unpowered exoskeleton design - reducing energy cost human walking - nature com

Se publica en Nature el diseño de un exoesqueleto pasivo (un muelle sin alimentación energética química o eléctrica) que reduce el coste energético al caminar en un 7,2 ± 2,6% (para humanos sanos). Un dispositivo elástico muy ligero que actúa en paralelo con los músculos de la pantorrilla reduciendo la energía metabólica necesaria para los músculos que nos permiten caminar. Lo importante es que este exoesqueleto no consume ningún tipo de energía química o eléctrica, de hecho no realiza trabajo mecánico neto positivo. Una ayuda para muchas personas con problemas al caminar.

El artículo es Steven H. Collins, M. Bruce Wiggin, Gregory S. Sawicki, «Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton,» Nature 522: 212-215, 11 Jun 2015, doi: 10.1038/nature14288.
Received 11 December 2014 Accepted 06 February 2015 Published online 01 April 2015

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El aparato locomotor humano parece perfecto. Nuestros cuerpos han evolucionado para la locomoción en largas distancias. Parece imposible mejorarlo. Se estima que un humano realiza unos diez mil pasos cada día y unos cientos de millones de pasos durante toda su vida. Cualquier cambio en el aparato locomotor o en su patrón de coordinación aumenta la tasa metabólica. Pero muchas personas con la edad tienen problemas de fatiga al caminar, lo que limita su movilidad. Una ayuda les vendría muy bien. Pero tiene que ser de muy bajo coste energético.

Dibujo20150610 Unpowered exoskeleton - carbon fibre shank frame and foot frame - reducing energy cost human walking - nature com

El nuevo exoesqueleto pasivo se diseña de forma personalizada para cada participante en el estudio y está fabricado en fibra de carbono. Muy ligero (su masa está entre 0,408 y 0,503 kg por pierna, según el participante), proporciona algunas de las funciones de los músculos de la pantorrilla y de los tendones durante la marcha. Su resorte en paralelo con el tendón de Aquiles se agarra a la articulación del tobillo. Un embrague mecánico en paralelo a los músculos de la pantorrilla actúa cuando el pie está en el suelo, pero se desacopla para permitir el movimiento libre cuando el pie está en el aire

Dibujo20150610 Unpowered exoskeleton - Mechanics and muscle activity - reducing energy cost human walking - nature com

Los experimentos se han realizado con nueve personas sanas usando un exoesqueleto en cada una de sus piernas (dos mujeres y siete hombres con una edad de 23,0 ± 3,7 años, un peso corporal de 77,4 ± 9,2 kg, y una altura de 1,84 ± 0,10 m). Han caminado a una velocidad de 1,25 m/s en una cinta de correr automática. El exoesqueleto reduce el momento de fuerzas que tienen que realizar músculos de la pantorrilla. El coste metabólico al caminar con este exoesqueleto se ha calculado en 2,67 ± 0,14 W/kg, por debajo del coste normal de 2,88 ± 0,10 W/kg en un 7,2 ± 2,6%. La energía metabólica utilizada para caminar (tasa metabólica neta) se estima para cada pie en 1,47 ± 0,1 W/kg. El efecto equivale a la diferencia entre llevar y no llevar una mochila de 4 kg en la espalda.

Serán necesarios futuros estudios para que estos exoesqueletos lleguen hasta el mercado, pero los autores creen que hay hueco para mejoras adicionales. Un campo muy poco explorado (los exoesqueletos pasivos) y muy prometedor. Quien sabe lo que nos deparan este tipo de exoesqueletos a los que nos acercamos a la tercera edad.



6 Comentarios

  1. Impresionante, siendo pasivo, 4kg es muchisimo si hablamos de personas de edad avanzada. Si logran hacerlo dentro de lo posible que sea aun mas eficiente, y que sea mas economico, le veo exito en el mercado.

  2. Precisamente no parece orientado a la tercera edad, al menos esta primera fase, por los sujetos de las pruebas y la mejora en éstos, que se compara con llevar una mochila de 4Kg. de peso, algo poco apreciable por una persona de esa edad, altura y peso.

    El problema de muchos mayores es que encogen, se curvan y engordan, haciendo que el sistema locomotor tenga que lidiar con un centro de masas para el que no está diseñado, que, a parte de los efectos obvios de la vejez u otros agravantes (cardíacos, diabetes…), requiere más energía y produce un mayor cansancio al realizar una misma acción que antes o la imposibilita totalmente.

    El nivel de autonomía, tamaño y peso de las baterías actuales me hace decantarme por exoesqueletos activos, sobre todo para personas de movilidad reducida, aunque no tengo muy claro el posible ruido que puedan generar los actuadores (mecánicos? hidráulicos?) y que por supuesto es más fácil vender a una persona mayor una pata con muelles que no llamen la atención que una especie de pata cyborg con baterías, leds y alarmas sonoras ^^
    También hay que decir que, para adolescentes con pasta y vagos, esto lo venderían como rosquillas xD
    No sé hasta que punto podremos «ayudar» a todos estos años de evolución con los sistemas pasivos, pero el hecho de que lo mejoren algo, ya es un gran logro, a ver hasta dónde llegan.

  3. Esperemos que no llegue el día en que surjan los «antiprótesis» porque el uso de estos aparatos no es «natural». Fibra de carbono, menudo precio han de costar, aunque si se abarata en el futuro igual y sale a cuenta.

    El uso de baterías no tendría que ser más problemático que el uso de celulares o de portátiles, especialmente si se arregla el detalle del ruido. Aun así, que con pura mecánica se pueda solucionar sin necesidad de recurrir a la electricidad sería ya un gran avance, principalmente del lado del costo.

    Saludos.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 10 junio, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Mecánica • Medicina • Nature • Noticias • Science
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