Brazo robótico para pacientes amputados: tacto en tiempo real
Para más de 5 millones de personas en el mundo que han sufrido la amputación de una extremidad superior, la prótesis ha recorrido un largo camino. Además de los apéndices tradicionales, que parecen maniquíes, crece el número de neuroprótesis comerciales: extremidades biónicas con alto grado de articulación, diseñadas para captar las señales musculares residuales del paciente y reproducir de forma robótica los movimientos previstos.
Sin embargo, esta destreza de alta tecnología tiene su precio. La neuroprotésis puede costar decenas de miles de dólares y se construye sobre armazones metálicos con motores eléctricos, que pueden ser pesados y rígidos.
Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Universidad Jiao Tong de Shanghái desarrollaron una neuroprótesis de mano blanda, ligera y potencialmente barata. Las personas con amputaciones que probaron la prótesis realizaron actividades cotidianas: cerrar la cremallera de una maleta, servir zumo de una caja y acariciar a un gato.
Todas estas tareas les salieron igual de bien, e incluso en algunos casos mejor, que a las personas con neuroprótesis más rígidas. Los investigadores descubrieron que la prótesis, diseñada con un sistema de retroalimentación táctil, restableció algunas sensaciones primitivas en el muñón del voluntario.
Además, el nuevo diseño es sorprendentemente resistente y se recupera rápidamente de golpes de martillo o de atropellos por un automóvil. La mano inteligente es blanda y elástica, y pesa unos 200 g. El coste de sus componentes es de unos 500 $. Es una pequeña fracción del peso y del coste de los materiales de las extremidades inteligentes más rígidas.
«Todavía no es un producto, pero su eficacia ya es similar a la de las neuroprótesis existentes, o incluso superior, y eso nos gusta mucho. Existe un enorme potencial para fabricar esta prótesis blanda a un precio muy bajo para las familias de bajos ingresos afectadas por una amputación»
El diseño de la mano recuerda al robot hinchable de la serie de dibujos animados «Ciudad de héroes». La mano artificial está hecha de un material blando y elástico: el elastómero comercial EcoFlex. La prótesis consta de cinco dedos, cada uno cubierto por segmentos de fibra, similares a los huesos articulados de los dedos reales. Están conectados a una «palma» tridimensional con forma de mano humana.
En lugar de controlar cada dedo con motores eléctricos, como en la mayoría de las neuroprótesis, los investigadores utilizaron un sencillo sistema neumático para inflar los dedos con precisión y doblarlos en posiciones determinadas. Este sistema, formado por una pequeña bomba y válvulas, puede llevarse en el cinturón, lo que reduce considerablemente el peso de la propia prótesis.
El equipo desarrolló un modelo informático para relacionar la posición deseada de un dedo con la presión correspondiente que la bomba debe aplicar para alcanzar esa posición. Los investigadores también diseñaron un controlador que dirige el sistema neumático para inflar los dedos hasta posiciones que imitan cinco agarres habituales, incluidos el pellizco con dos y con tres dedos y el puño.
El sistema neumático recibe señales de EMG, sensores de electromiografía que miden las señales eléctricas generadas por las motoneuronas para controlar los músculos. Los sensores se colocan en la abertura de la prótesis, donde esta se fija a la extremidad del usuario. Pueden captar señales del muñón, por ejemplo, cuando una persona amputada imagina que cierra el puño.
Un algoritmo especial «decodifica» las señales musculares y las asocia con los tipos de agarre más comunes. Los ingenieros usaron este algoritmo para programar el controlador de su sistema neumático.
Cuando una persona imagina que sostiene una copa de vino, los sensores captan las señales musculares residuales, que el controlador convierte en las presiones correspondientes. Después, la bomba aplica esa presión para inflar cada dedo y lograr el agarre deseado por el usuario.
Los investigadores se propusieron añadir retroalimentación táctil, una función que no está incluida en la mayoría de las neuroprótesis comerciales. Para ello, colocaron en la punta de cada dedo un sensor de presión que, al tocar o apretar algo, emite una señal eléctrica proporcional a la presión percibida. Cada sensor se conecta a un punto concreto del muñón de la persona, por lo que puede «sentir» cuando, por ejemplo, presiona con el pulgar y no con el índice.
Para comprobar la mano robótica, los investigadores reclutaron a dos voluntarios, a cada uno de los cuales se le había amputado una extremidad superior. Tras colocarse la neuroprótesis, aprendieron a usarla contrayendo repetidamente los músculos de la mano mientras imaginaban cinco agarres habituales.
Al terminar un entrenamiento de 15 minutos, se les pidió que realizaran una serie de pruebas estándar para demostrar la fuerza y la destreza de las manos: colocar fichas de damas, pasar páginas, escribir con un bolígrafo, levantar pelotas pesadas y recoger objetos frágiles (como fresas). Repitieron estas pruebas usando la mano biónica más rígida y comprobaron que la prótesis hinchable funcionaba igual de bien o incluso mejor.
Uno de los voluntarios pudo usar la prótesis blanda de forma intuitiva en su vida diaria: comer (incluso galletas saladas) y manejar distintos objetos (portátiles, botellas, martillos y alicates). Pudo manipular la prótesis con seguridad para estrechar la mano de alguien, tocar una flor o acariciar a un gato.
El ejercicio más impresionante: los investigadores le vendaron los ojos al voluntario y comprobaron que era capaz de distinguir qué dedo habían tocado. También logró «sentir» botellas de distinto tamaño que cabían en la prótesis. El equipo considera estos experimentos una señal prometedora de que los pacientes con amputaciones pueden recuperar cierta sensibilidad y control en tiempo real con una mano hinchable.
