Après des années de développement minutieux, les ingénieurs ont créé un exosquelette ressemblant à une botte qui augmente la vitesse de marche et réduit les efforts en dehors du laboratoire.
Pendant des années, le laboratoire de biomécatronique de Stanford a captivé les imaginations avec ses émulateurs d’exosquelettes – des dispositifs robotiques de laboratoire qui aident les utilisateurs à marcher et à courir plus vite, avec moins d’efforts. Aujourd’hui, ces chercheurs vont faire tourner les têtes dans la « nature » avec leur premier exosquelette non attaché, présenté dans un article publié le 12 octobre dans Nature.
« Cet exosquelette personnalise l’aide apportée aux personnes qui marchent normalement dans le monde réel », a déclaré Steve Collins, professeur associé d’ingénierie mécanique qui dirige le Stanford Biomechatronics Laboratory. « Et il a permis des améliorations exceptionnelles de la vitesse de marche et de l’économie d’énergie ».
Cette « botte robotisée » est dotée d’un moteur qui fonctionne avec les muscles du mollet pour donner à la personne qui la porte une poussée supplémentaire à chaque pas. Mais, contrairement à d’autres exosquelettes existants, cette poussée est personnalisée grâce à un modèle basé sur l’apprentissage automatique, entraîné par des années de travail sur des émulateurs.
« Sur un tapis roulant, notre dispositif permet d’économiser deux fois plus d’énergie que les exosquelettes précédents », a déclaré Patrick Slade, qui a travaillé sur l’exosquelette en tant que doctorant et boursier postdoctoral de la Wu Tsai Human Performance Alliance à Stanford. « Dans le monde réel, cela se traduit par des économies d’énergie significatives et des améliorations de la vitesse de marche. »
L’objectif ultime est d’aider les personnes à mobilité réduite, en particulier les personnes âgées, à se déplacer dans le monde comme elles le souhaitent. Avec cette dernière percée, l’équipe de recherche estime que la technologie est prête à être commercialisée dans les prochaines années.
« La première fois que l’on enfile un exosquelette, il faut parfois s’adapter », a déclaré Ava Lakmazaheri, une étudiante diplômée du laboratoire de biomécatronique qui a porté l’exosquelette lors de tests. « Mais, honnêtement, dès les 15 premières minutes de marche, on se sent tout à fait naturel. Marcher avec les exosquelettes donne littéralement l’impression d’avoir un ressort supplémentaire dans la démarche. Cela rend le prochain pas tellement plus facile ».
Des exosquelettes pour le monde réel
Dans le passé, le principal obstacle à l’efficacité des exosquelettes était l’individualisation. « La plupart des exosquelettes sont conçus en utilisant une combinaison d’intuition ou de biomimétisme, mais les gens sont trop compliqués et diversifiés pour que cela fonctionne bien », a expliqué Collins.
Un gros plan de l’exosquelette non attaché, qui surveille les mouvements à l’aide de capteurs peu coûteux.
Pour résoudre ce problème, le groupe s’est appuyé sur ses émulateurs d’exosquelettes – de grandes installations de laboratoire immobiles et coûteuses qui permettent de tester rapidement la meilleure façon d’aider les gens et de découvrir les plans de dispositifs portables efficaces à utiliser en dehors du laboratoire. Avec des étudiants et des volontaires connectés aux émulateurs, les chercheurs ont recueilli des données sur les mouvements et la dépense énergétique afin de comprendre le lien entre la façon dont une personne marche avec l’exosquelette et la quantité d’énergie qu’elle utilise.
Ces données ont révélé les avantages relatifs des différents types d’assistance offerts par l’émulateur. Elles ont également alimenté un modèle d’apprentissage automatique que l’exosquelette du monde réel utilise désormais pour s’adapter à chaque porteur. Contrairement à l’émulateur, l’exosquelette non attaché peut surveiller les mouvements en utilisant uniquement des capteurs portables peu coûteux intégrés dans la botte.
« Nous mesurons la force et le mouvement de la cheville à l’aide de ces capteurs afin de fournir une assistance précise », explique Patrick Slade. « En faisant cela, nous pouvons contrôler soigneusement le dispositif pendant que les gens marchent et les assister de manière sûre et discrète. »
Un coup de pouce de 14 kg
L’exosquelette facilite la marche et peut augmenter la vitesse en appliquant un couple au niveau de la cheville, remplaçant ainsi une partie de la fonction du muscle du mollet. Lorsque les utilisateurs font un pas, juste avant que leurs orteils ne quittent le sol, le dispositif les aide à pousser.
Ava Lakmazaheri, étudiante diplômée du laboratoire de biomécatronique, marche en portant l’exosquelette non attaché.
Lorsqu’une personne utilise l’exosquelette pour la première fois, celui-ci lui fournit une assistance légèrement différente à chaque fois qu’elle marche. En mesurant le mouvement résultant, le modèle d’apprentissage automatique détermine comment mieux assister la personne la prochaine fois qu’elle marche. Il suffit d’environ une heure de marche pour que l’exosquelette s’adapte à un nouvel utilisateur.
Lors des tests, les chercheurs ont constaté que leur exosquelette dépassait leurs attentes. D’après leurs calculs, les économies d’énergie et l’augmentation de la vitesse étaient équivalentes à « l’enlèvement d’un sac à dos de 14 kg ».
« L’assistance optimisée a permis aux personnes de marcher 9 % plus vite avec 17 % d’énergie dépensée en moins par distance parcourue, par rapport à la marche avec des chaussures normales. Il s’agit des plus grandes améliorations de la vitesse et de l’énergie de la marche économique de tout exosquelette à ce jour », a déclaré Steve Collins. « Dans les comparaisons directes sur un tapis roulant, notre exosquelette offre une réduction de l’effort environ deux fois supérieure à celle des dispositifs précédents. »
La prochaine étape pour l’exosquelette est de voir ce qu’il peut faire pour la population cible : les adultes plus âgés et les personnes qui commencent à voir leur mobilité diminuer en raison d’un handicap. Les chercheurs prévoient également de concevoir des variantes qui améliorent l’équilibre et réduisent les douleurs articulaires, et de travailler avec des partenaires commerciaux pour transformer le dispositif en produit.
« C’est la première fois que nous voyons un exosquelette permettre des économies d’énergie pour des utilisateurs dans le monde réel », affirme Patrick Slade. « Je pense qu’au cours de la prochaine décennie, nous verrons ces idées de personnalisation de l’assistance et d’exosquelettes portables efficaces aider de nombreuses personnes à surmonter les problèmes de mobilité ou à maintenir leur capacité à mener une vie active, indépendante et pleine de sens. »
« Nous travaillons à cet objectif depuis environ 20 ans, et je suis honnêtement un peu stupéfait que nous ayons finalement pu le faire », conclut Steve Collins. « Je pense vraiment que cette technologie va aider beaucoup de gens ».
https://news.stanford.edu/2022/10/12/exoskeleton-makes-walking-faster-less-tiring/
https://humanperformance.stanford.edu/
