La IA reduce el esfuerzo y el estr¨¦s en el uso de los exoesqueletos

La inteligencia artificial (IA) puede ayudar a mejorar los movimientos de un exoesqueleto, facilitando que las personas que lo portan consuman menos energ¨ªa y reduzcan sus niveles de estr¨¦s. Un estudio que se publica hoy en la revista Nature presenta un controlador superinteligente que aprovecha los datos de la inteligencia artificial y las simulaciones virtuales para entrenar estructuras rob¨®ticas sin necesidad de hacer pruebas humanas. Estos dispositivos mejoran el movimiento de personas con o sin discapacidad, pero su adaptaci¨®n requiere trabajo y dinero. ¡°Las pruebas en humanos durante el desarrollo de controladores de exoesqueletos llevan mucho tiempo¡±, explica Hao Su, profesor de Ingenier¨ªa Mec¨¢nica y Aeroespacial en la Universidad de Carolina del Norte, autor principal del estudio. ¡°Hacerlo en un entorno de simulaci¨®n mejora el proceso de desarrollo y, con un modelo lo suficientemente preciso, se pueden emular sujetos con limitaciones de movimiento o afecciones espec¨ªficas. Se reduce el esfuerzo y el estr¨¦s de dichos sujetos, as¨ª como la log¨ªstica de reunirlos para las pruebas¡±, a?ade.

Los exoesqueletos port¨¢tiles del estudio corresponden a distintas articulaciones del cuerpo: cadera, rodilla, hombro y mano. Estos dispositivos ayudan a reducir el esfuerzo f¨ªsico que hace una persona, por ejemplo, en el caso de un trabajador de una f¨¢brica o un astronauta. Facilitan el caminar y el ponerse de cuclillas, mientras que otros dispositivos solo ayudan a caminar. Si ponerse en marcha requiere un esfuerzo del 100%, explica Su, el robot proporciona una asistencia del 30%, de modo que los humanos solo requieran un esfuerzo del 70%. En el caso de los astronautas, el robot les ayuda a evitar la p¨¦rdida de masa ¨®sea y emular as¨ª un paseo normal en lugares de microgravedad: ¡°La descarga del esqueleto durante estancias prolongadas en gravedad reducida aumenta el riesgo de p¨¦rdida de densidad y resistencia ¨®seas¡±.

El dispositivo puede colocarse en una o varias articulaciones de la pierna y lleva incorporados unos motores para doblar o extender la articulaci¨®n, seg¨²n explica Alexandra S. Voloshina, profesora del departamento de Ingenier¨ªa Mec¨¢nica y Aeroespacial de la Universidad de California en un documento que acompa?a al estudio. De ese modo, ¡°permite que los m¨²sculos de la pierna se relajen y el sistema asuma la carga de trabajo¡±, a?ade. Para Juan Ernesto Solanes, profesor de Ingenier¨ªa de Sistemas y Autom¨¢tica de la Universitat Polit¨¨cnica de Val¨¨ncia y no implicado en el estudio, el sistema tambi¨¦n ofrece otras ventajas: ¡°Puede configurarse para transferir el peso de los brazos al n¨²cleo del cuerpo, reduciendo el estr¨¦s f¨ªsico. Su capacidad para reducir el esfuerzo f¨ªsico inherente a algunos trabajos disminuye el riesgo de lesiones musculoesquel¨¦ticas para los trabajadores¡±.

Hasta ahora, el desarrollo de un exoesqueleto requer¨ªa de un largo proceso de experimentaci¨®n con muchas personas. El modelo del estudio se basa en datos reales de una persona espec¨ªfica, es decir, el gemelo digital de una persona con el fin de asistir sus movimientos. La inteligencia artificial relaciona los datos de la articulaci¨®n de la cadera (¨¢ngulo y velocidad), por ejemplo, con el perfil generado por el exoesqueleto. Adem¨¢s, el coste de un exoesqueleto es muy elevado porque implica esas horas de pruebas con humanos. En general, el precio oscila entre 46.000 y 116.000 euros. Sin embargo, el dispositivo del estudio ser¨ªa m¨¢s barato: ¡°Tenemos previsto ponerlo a la venta a un precio de unos 2.000 y 3.000 d¨®lares [unos 1.800-2.800 euros] gracias a la innovaci¨®n del hardware y a los algoritmos basados en inteligencia artificial¡±, a?ade Su.

Una de las limitaciones de los exoesqueletos actuales es que dependen de una fuente externa de energ¨ªa para funcionar, seg¨²n se?ala Solanes. No obstante, la estructura rob¨®tica de cadera de la investigaci¨®n gener¨® la mayor reducci¨®n de tasa metab¨®lica hasta la fecha, con una reducci¨®n del gasto energ¨¦tico del 24,3% para caminar, 13,1% para correr y 15,4% para subir escaleras. ¡°Este trabajo est¨¢ haciendo realidad la ciencia ficci¨®n, permitiendo a las personas gastar menos energ¨ªa mientras realizan distintas tareas¡±, a?ade Su.

A menudo los exoesqueletos no tienen en cuenta la comodidad del usuario o limitan su movimiento natural, seg¨²n explica Solanes: ¡°La interacci¨®n humano-m¨¢quina debe ser lo m¨¢s natural posible para que el dispositivo sea ¨²til y menos intrusivo¡±. Y a?ade: ¡°Puede tener el efecto contrario al deseado, provocando fatiga mental o lesiones f¨ªsicas al usuario. La fatiga mental se debe al hecho de tener que adaptarse constantemente a la asistencia proporcionada por el exoesqueleto, impidiendo una interacci¨®n natural¡±.

El algoritmo impulsado por inteligencia artificial del sistema asiste tanto a j¨®venes como a ancianos. El exoesqueleto de cadera ofrece mejoras para personas sin discapacidad, en actividades como caminar, correr y subir escaleras. ¡°Se refleja en la disminuci¨®n del coste metab¨®lico de realizaci¨®n de estas actividades, lo que permite al usuario hacerlas durante periodos de tiempo m¨¢s prolongados¡±, explica Su, que a?ade que tambi¨¦n han desarrollado un exoesqueleto pedi¨¢trico de rodilla que mejora la movilidad de ni?os con par¨¢lisis cerebral en entornos comunitarios. La par¨¢lisis cerebral infantil afecta a casi uno de cada 500 nacidos en Espa?a, seg¨²n la Confederaci¨®n Espa?ola de Asociaciones de Atenci¨®n a las Personas con Par¨¢lisis Cerebral.

Los expertos ajenos a la investigaci¨®n coinciden en que el m¨¦todo es valioso para la investigaci¨®n sobre el desarrollo de exoesqueletos. Sin embargo, Massimo Cenciarini, profesor de Ingenier¨ªa Mec¨¢nica de la Universitat Polit¨¨cnica de Catalunya, se pregunta si funcionar¨ªa en actividades como saltar, o en tareas m¨¢s din¨¢micas como girar, levantarse o sentarse. A pesar del gran avance de control del exoesqueleto, Cenciarini admite que puede requerir m¨¢s trabajo en pacientes con lesiones medulares parciales o pacientes con ictus.

El sistema puede generar errores si los datos de entrenamiento son sesgados o incompletos, o por una mala selecci¨®n de la arquitectura, admite Su, y si la tarea a realizar es muy dif¨ªcil, tendr¨¢ dificultades para dar una buena soluci¨®n. Pese a ello, Cenciarini vaticina: ¡°Este m¨¦todo podr¨ªa conducir a una aceleraci¨®n en el desarrollo de pol¨ªticas de control para otros exoesqueletos y acelerar el desarrollo de exoesqueletos para la asistencia y rehabilitaci¨®n en trastornos neurol¨®gicos que afectan al movimiento, como en la enfermedad de Parkinson o un accidente cerebrovascular¡±.

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