Opportunità e sfide nello sviluppo di esoscheletri per l'assistenza locomotoria

Nature Biomedical Engineering volume 7, pagine 456–472 (2023) Citare questo articolo

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Gli esoscheletri possono aumentare le prestazioni di utenti non compromessi e ripristinare il movimento in individui con disturbi dell'andatura. La conoscenza di come gli utenti interagiscono con i dispositivi indossabili e della fisiologia della locomozione ha informato la progettazione di esoscheletri rigidi e morbidi che possono mirare specificamente a una singola articolazione o una singola attività. In questa recensione, evidenziamo i principali progressi degli ultimi due decenni nella tecnologia degli esoscheletri e nello sviluppo di esoscheletri degli arti inferiori per l'assistenza locomotoria, discutiamo le esigenze di ricerca per tali robot indossabili e i requisiti clinici per la riabilitazione dell'andatura assistita dall'esoscheletro e delineamo le principali sfide cliniche e le opportunità per la tecnologia dell’esoscheletro.

Gli esoscheletri che aiutano la locomozione sono entrati nell'immaginazione popolare oltre un secolo fa, seguiti da una serie di brevetti e prototipi1,2,3,4,5. Tra gli altri progressi compiuti tra la fine del XX e l’inizio del XXI secolo, i finanziamenti del Programma Exoskeleton for Human Performance Augmentation6 della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) degli Stati Uniti hanno consentito lo sviluppo di dispositivi robotici indossabili per gli arti inferiori (in in particolare, l'esoscheletro degli arti inferiori di Berkeley, BLEEX7,8; il Sarcos Guardian XO9; e l'esoscheletro quasi passivo del MIT10,11,12,13) ​​per aumentare la resistenza e ridurre lo sforzo durante il trasporto del carico. Togliendo il carico a chi li indossa e fornendo coppie articolari assistive durante la deambulazione, questi esoscheletri portanti degli arti inferiori hanno cercato di aumentare la capacità di carico, migliorare l'efficienza e la resistenza e ridurre la difficoltà percepita di camminare11, con potenziali benefici per il personale militare, i primi soccorritori e gli operatori del fine settimana. guerrieri. Misurare il costo metabolico della locomozione assistita dall’esoscheletro è diventato il gold standard per quantificare lo sforzo e lo sforzo di chi lo indossa. Pertanto, dimostrare la riduzione dei costi metabolici rispetto al camminare senza il robot è diventato uno degli obiettivi principali per gli esoscheletri progettati per aumentare la forza e le prestazioni. Nonostante la loro promessa, gli esoscheletri degli arti inferiori per l'aumento delle prestazioni negli utenti non disabili inizialmente non sono riusciti a dimostrare riduzioni dei costi metabolici rispetto alla camminata senza esoscheletri14,15,16. Pertanto, sono stati sviluppati e testati hardware più leggeri e sistemi autonomi in esperimenti mirati, con sistemi a giunto singolo testati per esplorare i meccanismi biologici sottostanti. Questi progressi tecnologici hanno infine consentito agli esoscheletri di raggiungere gli obiettivi previsti di riduzione del costo metabolico durante la locomozione carica o scarica per applicazioni militari, industriali e ricreative.

Oltre allo sviluppo di esoscheletri per migliorare le prestazioni di trasporto del carico, sono stati progettati dispositivi (in particolare Lokomat17, Gait Trainer18, esoscheletro motorizzato per arti inferiori (LOPES)19, esoscheletro per gambe attive (ALEX)20,21 e Rutgers Ankle22) per meccanizzare terapia fisica per individui che stanno imparando a camminare dopo una lesione del midollo spinale (SCI) o un ictus. La pratica clinica comune richiede che i fisioterapisti muovano manualmente i piedi e le gambe dei pazienti non deambulanti attraverso i movimenti della deambulazione per facilitare il riapprendimento degli schemi di movimento per il miglioramento funzionale23. Sono stati sviluppati dispositivi robotici per scaricare questo onere dai fisioterapisti e per migliorare i risultati dei pazienti fornendo interventi precisi e formazione a intensità ottimali, senza vincoli dai limiti dell’assistenza manuale. Inizialmente gli esoscheletri non sono riusciti a mostrare miglioramenti clinici tali da giustificare il loro costo rispetto ai tradizionali metodi di addestramento alla deambulazione non robotici24,25,26,27,28,29,30. Tuttavia, una migliore comprensione della biomeccanica e della fisiologia sottostanti ha portato a un miglioramento nella progettazione dell’esoscheletro, comprese strategie di attuazione e controllo ispirate alla biologia31,32,33,34,35,36. Ad esempio, il "controllo cooperativo del paziente" è stato implementato nei dispositivi per la riabilitazione dell'andatura per consentire un'assistenza più individualizzata37,38,39,40,41,42,43. Tali approcci di "assistenza in base alle necessità" sono particolarmente importanti per aumentare l'andatura di individui con qualche funzione di deambulazione residua, incoraggiando al contempo il proprio contributo.