Un exoesqueleto blando , también conocido como robot portátil blando o exoesqueleto robótico blando , es un tipo de dispositivo robótico portátil diseñado para aumentar y mejorar las capacidades físicas del cuerpo humano. A diferencia de los exoesqueletos rígidos tradicionales , que suelen estar hechos de materiales duros como el metal y se usan sobre las extremidades del usuario, los exoesqueletos blandos están construidos con materiales flexibles y livianos. Los exoesqueletos blandos están diseñados para ayudar a las personas con problemas de movilidad , ayudar en la rehabilitación , aumentar el rendimiento humano y mejorar la calidad de vida en general.
El concepto de exoesqueletos se remonta a la literatura de ciencia ficción, donde los autores imaginaron trajes mecánicos que mejoraran las capacidades humanas. Sin embargo, los exoesqueletos blandos, tal como los conocemos hoy, tienen sus raíces en el desarrollo de la robótica blanda y la ciencia de los materiales avanzados . La evolución de los exoesqueletos blandos se puede dividir en varias etapas clave:
El Proyecto Hardiman (1965-1971) fue uno de los primeros intentos notables de crear un exoesqueleto motorizado. Fue el Proyecto Hardiman, patrocinado por el ejército de los EE. UU. y desarrollado por General Electric y el Ejército de los EE. UU . El proyecto tenía como objetivo crear un exoesqueleto rígido de cuerpo completo para mejorar la fuerza y la resistencia de los soldados y trabajadores . El traje Hardiman hizo que levantar 250 libras (110 kg) se sintiera como levantar 10 libras (4,5 kg). Alimentado por hidráulica y electricidad, el traje permitía al usuario amplificar su fuerza por un factor de 25, de modo que levantar 25 libras era tan fácil como levantar una libra sin el traje. Sin embargo, el proyecto se interrumpió debido a desafíos técnicos, incluidos problemas de suministro de energía y control. [2]
En la Unión Soviética , la investigación sobre exoesqueletos motorizados se llevó a cabo en el marco del Proyecto de Investigación Cibernética Soviético [3]. Los científicos e ingenieros exploraron el desarrollo de exoesqueletos para aplicaciones militares, centrándose en mejorar las capacidades físicas de los soldados. La biónica implica una exploración integral de la naturaleza, incorporando elementos técnicos al estudio de la flora y la fauna . La disciplina gira en torno a la imitación de procesos de fabricación naturales , la replicación de técnicas y mecanismos biológicos y el examen del comportamiento social de los organismos. [4]
En el ocaso del siglo XIX, un ingeniero ruso llamado Nicholas Yagin se embarcó en un viaje innovador que sentaría las bases para un salto tecnológico revolucionario: la creación del primer dispositivo similar a un exoesqueleto del mundo. [5] Era el año 1890, una era caracterizada por una rápida industrialización y un ferviente espíritu de innovación . Yagin, una mente visionaria con una pasión por la ingeniería y la mejora humana, se dedicó a crear una solución que amplificara las capacidades del cuerpo humano. Inspirado por las maravillas de la naturaleza y el intrincado diseño de los exoesqueletos de los insectos, imaginó un dispositivo [6] que pudiera mejorar la movilidad y la fuerza humanas. El primer prototipo de exoesqueleto consistía en juntas articuladas y una red de engranajes, resortes y palancas que respondían a los movimientos del usuario. Su propósito era claro: aumentar el cuerpo humano, brindando apoyo y amplificando la fuerza. [7] [8]
A finales de la década de 1970, el Dr. David A. Winter , investigador en biomecánica , realizó importantes contribuciones al campo al centrarse en la biomecánica de la locomoción humana . Su trabajo proporcionó información valiosa sobre las consideraciones de diseño para los exoesqueletos, enfatizando la necesidad de una comprensión más holística del movimiento humano. [9]
A principios de la década de 1980, investigadores como el Dr. Homayoon Kazerooni comenzaron a investigar las aplicaciones prácticas de los exoesqueletos para la rehabilitación. En 1989, el Dr. Kazerooni fundó Berkeley Bionics , un momento crucial que marcó un cambio hacia el desarrollo de exoesqueletos más fáciles de usar. Sin embargo, durante este período, los exoesqueletos rígidos siguieron siendo el foco principal, con limitaciones en términos de peso y movilidad. [10] [11]
En 1983, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) presentó el MIT Exoskeleton, un exoesqueleto motorizado diseñado para fines de rehabilitación. Este proyecto, dirigido por el Dr. Steven Jacobsen , fue un avance notable en la incorporación de la robótica a los dispositivos de asistencia. [12] [13]
Un prototipo del exoesqueleto de extremidades inferiores de Berkeley (BLEEX) surgió a fines de la década de 1990, cuando el panorama del desarrollo de exoesqueletos estaba atravesando una fase de transformación, con investigadores e ingenieros explorando formas innovadoras de mejorar las capacidades humanas. El exoesqueleto de extremidades inferiores de Berkeley (BLEEX) fue uno de esos proyectos pioneros que sentó las bases para los avances en exoesqueletos motorizados. El proyecto BLEEX, iniciado por el Laboratorio de Robótica e Ingeniería Humana de la Universidad de California , Berkeley, buscó abordar los desafíos asociados con caminar y transportar cargas pesadas. El objetivo principal era desarrollar un exoesqueleto blando capaz de reducir el costo metabólico de estas actividades, proporcionando así un avance en la tecnología de aumento humano. [14] Los primeros prototipos de BLEEX mostraron la integración de materiales flexibles y sistemas de actuación, lo que marcó un cambio con respecto a los diseños de exoesqueletos más rígidos de la época. Los investigadores se centraron en crear una relación simbiótica entre el usuario y el exoesqueleto, enfatizando la comodidad y el movimiento natural. A medida que el proyecto avanzaba en la década de 2000, BLEEX ganó reconocimiento por sus posibles aplicaciones en diversos campos, incluidos los militares, la rehabilitación médica y los entornos industriales . El concepto de exoesqueleto blando iniciado por BLEEX se convirtió en un catalizador para la investigación posterior en el desarrollo de robótica portátil. [15] [16]
En paralelo con el proyecto BLEEX, en la década de 1990 se produjo un auge de la investigación pionera dedicada a aprovechar el potencial de los exoesqueletos en entornos industriales. Los exoesqueletos rígidos surgieron como una solución prometedora, con el objetivo de aliviar la tensión física que soportaban los trabajadores que realizaban tareas que exigían levantar objetos pesados y realizar movimientos repetitivos .
Un ejemplo notable de esta era son los esfuerzos concertados de un equipo de ingenieros dirigido por el Dr. Hiroshi Kobayashi [17] en la Universidad de Ciencias de Tokio . En 1995, este equipo presentó un exoesqueleto motorizado innovador diseñado específicamente para ayudar a los trabajadores de la construcción en Japón. El exoesqueleto, equipado con actuadores inteligentes y sensores de movimiento de última generación , fue elaborado meticulosamente para aumentar la fuerza y la resistencia humanas, aliviando así las cargas asociadas con el trabajo manual en la industria de la construcción. [18] [19]
El impulso detrás de este desarrollo surgió de una necesidad apremiante de abordar la alta incidencia de lesiones musculoesqueléticas entre los trabajadores de la construcción, especialmente aquellos involucrados en tareas que requieren levantar y transportar materiales de construcción pesados . Al integrar tecnología de vanguardia en el diseño del exoesqueleto, el equipo de ingeniería buscó crear una relación simbiótica entre el hombre y la máquina, mejorando tanto la productividad como la seguridad ocupacional.
El impulso para los primeros experimentos surgió a menudo de las necesidades militares y las demandas industriales. En contextos militares, la investigación sobre exoesqueletos tenía como objetivo crear exoesqueletos motorizados que pudieran amplificar la fuerza de los soldados, lo que les permitiría transportar cargas más pesadas a largas distancias, transitar por terrenos difíciles y realizar tareas que de otro modo serían extenuantes o peligrosas. En el sector industrial, el enfoque se centró en el desarrollo de exoesqueletos para ayudar a los trabajadores en tareas que implicaban levantar objetos pesados, movimientos repetitivos y períodos prolongados de pie, reduciendo así el riesgo de lesiones relacionadas con el trabajo y aumentando la productividad.
La evolución de los exoesqueletos blandos está estrechamente relacionada con las contribuciones de innovadores e investigadores pioneros que ampliaron los límites de la robótica portátil. A medida que la tecnología pasó de los exoesqueletos rígidos a diseños más blandos y flexibles, varias figuras clave y avances significativos dieron forma a la historia de los exoesqueletos blandos.
Conor Walsh, [20] investigador de la Universidad de Harvard , dio pasos importantes en la tecnología de exoesqueletos blandos con el desarrollo del Soft Exosuit. [21] El equipo de Walsh en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica creó un exoesqueleto liviano y flexible que utilizaba actuadores basados en textiles para ayudar a grupos musculares específicos. Este enfoque innovador marcó un cambio con respecto a las estructuras rígidas, ofreciendo una experiencia de uso más cómoda y natural. [22] [23]
El Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica siguió estando a la vanguardia de la investigación sobre exoesqueletos blandos. Los investigadores del instituto se centraron en perfeccionar los diseños de exoesqueletos blandos, integrar sensores y sistemas de control avanzados y explorar diversas aplicaciones, incluida la rehabilitación médica y la mejora del rendimiento humano en diversas tareas.
Cyberdyne Inc. , una empresa japonesa de robótica fundada por el Dr. Yoshiyuki Sankai , desarrolló el exoesqueleto Hybrid Assistive Limb (HAL). HAL fue uno de los primeros exoesqueletos blandos disponibles comercialmente, diseñado para mejorar y apoyar la movilidad humana. El exoesqueleto detectaba señales bioeléctricas de los músculos del usuario, lo que permitía un control intuitivo del dispositivo. HAL encontró aplicaciones en el ámbito de la atención médica , ayudando a personas con problemas de movilidad y contribuyendo al campo de la rehabilitación asistida por robot. [ 24] [25]
ReWalk Robotics, fundada por el Dr. Amit Goffer , presentó sistemas de exoesqueletos personales diseñados para ayudar a caminar a personas con lesiones en la médula espinal . Estos dispositivos portátiles utilizaban componentes blandos y sensores de movimiento avanzados, lo que permitía a los usuarios ponerse de pie, caminar y subir escaleras de forma independiente. Los exoesqueletos de ReWalk representaron un avance significativo en la tecnología de asistencia , mejorando la movilidad y la autonomía de las personas con parálisis . [26]
Los resultados de estos primeros experimentos fueron innovadores en cuanto a su concepto, pero también plantearon enormes desafíos. Los exoesqueletos rígidos, aunque prometedores, a menudo resultaban engorrosos y poco prácticos para un uso prolongado. Limitaban los movimientos naturales, lo que causaba incomodidad y dificultaba la agilidad del usuario. Además, la fuente de alimentación, los mecanismos de control y el peso total de estos exoesqueletos planteaban obstáculos importantes para su adopción generalizada.
A pesar de estos desafíos, los primeros experimentos con exoesqueletos rígidos marcaron un paso crucial en la evolución de la robótica portátil. Demostraron el potencial de aumentar las capacidades humanas a través de sistemas externos, lo que despertó la curiosidad e impulsó a los investigadores a explorar enfoques alternativos. Fue a partir de estos desafíos y conocimientos que comenzó el cambio hacia los materiales blandos y los actuadores neumáticos , sentando las bases para el desarrollo de exoesqueletos blandos en las décadas posteriores.
El campo de los exoesqueletos blandos ha sido testigo de rápidos avances en investigación y desarrollo, impulsados por la colaboración entre expertos en diversas disciplinas como ingeniería, biomecánica , ciencia de los materiales y ciencia de la computación .
Los investigadores se han centrado en el desarrollo de materiales avanzados que logren un equilibrio entre flexibilidad , durabilidad y resistencia. Se han explorado materiales inteligentes , incluidas aleaciones con memoria de forma , polímeros flexibles y compuestos livianos, para crear componentes de exoesqueletos blandos. Estos materiales permiten que los exoesqueletos se adapten al cuerpo del usuario, lo que garantiza un ajuste cómodo al tiempo que brinda el soporte y la asistencia necesarios. [27]
El uso de actuadores blandos , como músculos artificiales neumáticos y polímeros electroactivos blandos , ha cambiado la forma en que funcionan los exoesqueletos blandos. Estos actuadores imitan los movimientos musculares naturales , lo que permite una asistencia suave y precisa. Junto con tecnologías de detección, como sensores de tensión flexibles y unidades de medición inercial, los exoesqueletos blandos pueden detectar los movimientos e intenciones del usuario, lo que permite realizar ajustes en tiempo real y brindar asistencia personalizada.
Los algoritmos de control inteligente, a menudo basados en inteligencia artificial y aprendizaje automático , permiten que los exoesqueletos se adapten a la forma de andar, la postura y el terreno del usuario. Estos algoritmos analizan los datos de los sensores y optimizan la asistencia en tiempo real, proporcionando una experiencia de marcha fluida y natural para los usuarios con problemas de movilidad. Se han logrado avances significativos en la mejora de la interacción entre los humanos y los exoesqueletos blandos mediante la implementación de algoritmos de control inteligente . Estos algoritmos, a menudo basados en inteligencia artificial y aprendizaje automático , han transformado la forma en que los exoesqueletos blandos responden a los movimientos de los usuarios, lo que ha dado lugar a dispositivos de asistencia más intuitivos y eficientes.
Los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon , en colaboración con empresas de exoesqueletos, fueron pioneros en el desarrollo de algoritmos de control adaptativo para exoesqueletos blandos. [42] Un estudio innovador sobre la optimización de la asistencia del exoesqueleto al caminar con intervención humana, [43] publicado en Science , demostró la eficacia de estos algoritmos en un ajuste en tiempo real de la asistencia del exoesqueleto. Los usuarios con lesiones de la médula espinal experimentaron una mejora del 30% en la eficiencia al caminar, ya que los algoritmos se adaptaron sin problemas a los cambios en el terreno y la postura del usuario.
Los científicos de la ETH de Zúrich profundizaron en la aplicación de modelos de aprendizaje profundo en el control de exoesqueletos blandos. Un artículo de investigación publicado en 2020 en la 8.ª Conferencia internacional IEEE RAS/EMBS sobre robótica biomédica y biomecatrónica (BioRob) [44] [ cita completa necesaria ] describió la integración de redes neuronales convolucionales (CNN) para analizar datos de sensores de exoesqueletos portátiles. El estudio mostró una reducción del 25 % en el gasto de energía de los usuarios que navegan por terrenos variados , lo que enfatiza el papel del aprendizaje profundo en la optimización de la asistencia a la marcha.
El Centro de Investigación de Ingeniería de Rehabilitación (RERC) sobre Robótica Vestible realizó ensayos centrados en el usuario que involucraron a individuos con distrofia muscular . Los ingenieros del RERC desarrollaron un sistema de control personalizado basado en algoritmos de aprendizaje de refuerzo . Los ensayos, que duraron un año, revelaron una mejora del 35% en la comodidad y facilidad de uso informadas por los usuarios. Los resultados se publicaron en el Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation [45] , lo que subraya la importancia de los enfoques centrados en el usuario en el desarrollo de algoritmos de control. [46]
Los exoesqueletos blandos, con su tecnología avanzada y sus diseños innovadores, han encontrado aplicaciones generalizadas en diversas industrias, transformando la forma en que las personas trabajan, se mueven y viven. A medida que el campo de los exoesqueletos blandos continúa avanzando, varias industrias clave han adoptado esta tecnología, lo que ha dado lugar a mejoras significativas en la eficiencia, la seguridad y la calidad de vida.
Los exoesqueletos blandos han revolucionado el campo de la atención médica y la rehabilitación, ofreciendo esperanza y movilidad a personas con lesiones de la médula espinal, sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares y trastornos neurológicos. Empresas como Ekso Bionics y ReWalk Robotics [47] han desarrollado exoesqueletos blandos diseñados específicamente para fines de rehabilitación . EksoGT, presentado en 2016, ha sido ampliamente adoptado en centros de rehabilitación a nivel mundial, ayudando a los pacientes a recuperar la movilidad y la independencia. El ReStore Exo-Suit de ReWalk, [48] lanzado en 2019, ha tenido un éxito notable al ayudar a los sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares durante su proceso de recuperación, mejorando las capacidades para caminar y el equilibrio.
Los exoesqueletos blandos han encontrado un hogar en entornos industriales y de fabricación, donde ayudan a los trabajadores a levantar cargas pesadas y reducen el riesgo de lesiones musculoesqueléticas. El robot portátil de Hyundai Motor Company , el Hyundai Vest Exoskeleton (H-VEX), [49] [50] presentado en 2018, se ha utilizado en sus líneas de montaje, mejorando la productividad y reduciendo la tensión física de los trabajadores. Ford Motor Company , en colaboración con Ekso Bionics , implementó el EksoVest (ahora es la próxima evolución Ekso EVO) [51] en 15 de sus plantas en todo el mundo, [52] apoyando a los trabajadores durante tareas por encima de la cabeza y movimientos repetitivos desde 2017.
Los exoesqueletos blandos han logrado avances significativos en aplicaciones militares , mejorando la resistencia de los soldados y reduciendo la fatiga durante misiones largas. El Traje de Operador Ligero de Asalto Táctico (TALOS), desarrollado por el Comando de Operaciones Especiales de los Estados Unidos , incorpora componentes de exoesqueleto blando para aumentar la fuerza y la agilidad de los soldados. Aunque todavía se encuentra en la fase de investigación y desarrollo, TALOS representa un esfuerzo pionero en la integración de exoesqueletos blandos en operaciones militares, con el objetivo de mejorar las capacidades de los soldados en el campo de batalla. [53]
Los trabajadores de la construcción y los operadores de maquinaria pesada a menudo enfrentan tareas físicamente exigentes, y los exoesqueletos blandos han demostrado ser invaluables en estos entornos. Lanzado en 2019, el Levitate AIRFRAME [54] de Levitate Technologies es usado por trabajadores de la construcción para reducir la fatiga y minimizar la tensión en la espalda baja y los hombros, lo que les permite trabajar de manera más cómoda y eficiente. Además, empresas como Sarcos Robotics han desarrollado exoesqueletos blandos para aplicaciones industriales, incluida la construcción y el mantenimiento de infraestructura, mejorando la seguridad y la productividad de los trabajadores [55].
Los exoesqueletos blandos han demostrado ser prometedores para mejorar la calidad de vida de las personas mayores y las personas con problemas de movilidad. El MyoSuit, [56] desarrollado por MyoSwiss AG, es un exoesqueleto portátil que proporciona soporte a la parte inferior del cuerpo, ayudando a las personas con problemas de movilidad. MyoSuit ha ganado reconocimiento por su diseño fácil de usar y su eficacia para permitir movimientos naturales. [57] En Japón, el Hybrid Assistive Limb (HAL), desarrollado por Cyberdyne Inc. , se ha utilizado en centros de rehabilitación para ayudar a los pacientes con problemas de movilidad, ofreciéndoles la capacidad de estar de pie, caminar y recuperar la independencia. [58] [59]
En 2018, empresas como SuitX [60] introdujeron soluciones de exoesqueleto, como MAX, [61] diseñado específicamente para trabajadores de logística y almacenamiento . Los exoesqueletos MAX ayudan a levantar y transportar cargas pesadas, lo que reduce el riesgo de lesiones. El exoesqueleto MAX integra los sistemas backX, shoulderX y legX, [62] formando un exoesqueleto integral de cuerpo completo diseñado para diversos entornos industriales. Su propósito es minimizar el estrés en las rodillas, la espalda y los hombros, lo que permite a los usuarios extender su duración de trabajo con menos fatiga y una menor probabilidad de lesiones.
Hunic, [63] un destacado actor en este campo (ganador del premio IFOY), [64] ha desarrollado un exoesqueleto blando pendiente de patente llamado SoftExo, conocido por su ligereza, su alto rendimiento y su diseño ergonómico. SoftExo ofrece avances en la tecnología de exoesqueletos, contribuyendo a la evolución de soluciones destinadas a mejorar el bienestar y las capacidades de los trabajadores en diversas industrias [65].
Los exoesqueletos blandos se han integrado en los protocolos de respuesta a emergencias , especialmente en regiones propensas a desastres. El exoesqueleto XOS 2, desarrollado por Sarcos Robotics, ha sido utilizado por los equipos de respuesta a emergencias desde 2016. Al aumentar la fuerza de los usuarios, XOS 2 ayuda a levantar escombros pesados y transportar equipos esenciales durante las misiones de rescate. Esta tecnología se ha implementado en varias áreas afectadas por desastres, mejorando la eficacia de las operaciones de búsqueda y rescate [66] [67] [68]
Los exoesqueletos blandos, como el MyoSuit [69] desarrollado por MyoSwiss AG, se han empleado en instituciones educativas y laboratorios de investigación desde 2019. Los investigadores y estudiantes utilizan MyoSuit para estudiar patrones de movimiento humano , técnicas de rehabilitación y biomecánica . [70] [71] Este exoesqueleto portátil proporciona información valiosa sobre tecnologías de asistencia, dando forma al futuro de las prácticas de rehabilitación y la investigación de la interacción hombre-máquina.
En la industria del entretenimiento , el Teslasuit, presentado en 2017, integra tecnología de exoesqueleto blando con sistemas de retroalimentación háptica . [72] Este traje proporciona a los usuarios experiencias inmersivas en entornos de realidad virtual y aumentada . Al ofrecer sensaciones realistas de tacto y movimiento, el Teslasuit mejora los juegos , las simulaciones y las experiencias virtuales en las atracciones de entretenimiento, haciendo que los mundos virtuales sean más atractivos e interactivos [73]
Estas notables soluciones de exoesqueleto blando y sus implementaciones en diversas industrias subrayan la importancia de esta tecnología para mejorar la eficiencia , la seguridad y la experiencia del usuario. A medida que estas innovaciones continúan evolucionando, prometen transformar las industrias y mejorar las vidas de las personas en diversos sectores.
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