Una mano robótica inflable desarrollada por MIT brinda a los amputados control táctil en tiempo real. La mano inteligente es suave y elástica, pesa alrededor de una libra y cuesta una fracción de las prótesis comparables. Crédito: Cortesía de investigadores
La prótesis permite una amplia gama de actividades diarias, como cerrar una maleta, estrechar la mano y acariciar a un gato.
Para los más de 5 millones de personas en todo el mundo que han sufrido amputaciones de miembros superiores, las prótesis han recorrido un largo camino. Además de los apéndices tradicionales en forma de maniquí, existe un número creciente de neuroprótesis comerciales: extremidades biónicas altamente articuladas diseñadas para detectar las señales musculares residuales del usuario e imitar robóticamente sus movimientos previstos.
Pero esta destreza de alta tecnología tiene un precio. La neuroprótesis puede costar decenas de miles de dólares y se construye alrededor de esqueletos de metal, con motores eléctricos que pueden ser pesados y rígidos.
Ahora, los ingenieros del MIT y de la Universidad Jiao Tong de Shanghai han diseñado una mano neuroprotésica suave, liviana y potencialmente de bajo costo. Los amputados que probaron la extremidad artificial realizaron actividades diarias, como cerrar la cremallera de una maleta, vaciar una caja de jugo y acariciar a un gato, así como, y en algunos casos incluso mejor que, aquellos con neuroprótesis más rígidas.
Los investigadores encontraron que la prótesis, diseñada con un sistema de retroalimentación táctil, restauró algunas sensaciones primitivas en el muñón de un voluntario. El nuevo diseño también es sorprendentemente duradero, y se recupera rápidamente después de ser golpeado por un martillo o atropellado por un automóvil.
La mano inteligente es suave y elástica y pesa alrededor de una libra. Sus componentes suman alrededor de $ 500, una fracción del peso y el costo del material asociados con los miembros inteligentes más rígidos.
“Aún no es un producto, pero el rendimiento ya es similar o superior a las neuroprótesis existentes, lo que nos emociona”, dice Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT. «Existe un enorme potencial para fabricar esta prótesis blanda de muy bajo costo para familias de bajos ingresos que han sufrido una amputación».
Zhao y sus colegas publicaron su trabajo hoy en Nature Biomedical Engineering. Los coautores incluyen al becario postdoctoral del MIT Shaoting Lin, junto con Guoying Gu, Xiangyang Zhu y colegas de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, China.
mano de gran héroe
El nuevo diseño flexible del equipo tiene un asombroso parecido con cierto robot inflable de la película animada «Big Hero 6». Al igual que el androide blando, la mano artificial del equipo está hecha de un material suave y elástico, en este caso, el elastómero comercial EcoFlex. La prótesis consta de cinco dedos en forma de globo, cada uno con segmentos de fibra incrustados, similares a los huesos articulados de los dedos reales. Los dígitos flexibles están conectados a una «palma» impresa en 3D con forma de mano humana.
En lugar de controlar cada dedo mediante motores eléctricos montados, como hacen la mayoría de las neuroprótesis, los investigadores utilizaron un sistema neumático simple para inflar con precisión los dedos y doblarlos en posiciones específicas. Este sistema, que incluye una pequeña bomba y válvulas, se puede llevar en la cintura, lo que reduce significativamente el peso de la prótesis.
Lin desarrolló un modelo de computadora para relacionar la posición deseada de un dedo con la presión correspondiente que tendría que aplicar una bomba para alcanzar esa posición. Usando este modelo, el equipo desarrolló un controlador que dirige el sistema neumático para inflar los dedos, en posiciones que imitan cinco agarres comunes, que incluyen apretar dos y tres dedos juntos, hacer un puño cerrado y sostener la palma.
El sistema neumático recibe señales de sensores EMG, sensores de electromiografía que miden las señales eléctricas generadas por las neuronas motoras para controlar los músculos. Los sensores se colocan en la abertura de la prótesis, donde se adhiere a la extremidad del usuario. En esta disposición, los sensores pueden captar señales de un miembro residual, como cuando un amputado se imagina apretando el puño.
Luego, el equipo utilizó un algoritmo existente que «decodifica» las señales musculares y las relaciona con tipos de agarre comunes. Utilizaron este algoritmo para programar el controlador de su sistema neumático. Cuando un amputado se imagina a sí mismo, por ejemplo, sosteniendo una copa de vino, los sensores captan señales musculares residuales, que el controlador luego traduce en las presiones correspondientes. Luego, la bomba aplica estas presiones para inflar cada dedo y producir el agarre previsto por el amputado.
Llevando su proyecto un paso más allá, los investigadores buscaron habilitar la retroalimentación táctil, una característica que no se incorpora en la mayoría de las neuroprótesis comerciales. Para ello, cosieron en la punta de cada dedo un sensor de presión, que al tocarlo o presionarlo produce una señal eléctrica proporcional a la presión detectada. Cada sensor está conectado a una ubicación específica en el muñón de una persona amputada para que el usuario pueda «sentir» cuando se presiona el pulgar de la prótesis, por ejemplo, en comparación con el dedo índice.
buen agarre
Para probar la mano inflable, los investigadores reclutaron a dos voluntarios, cada uno con amputaciones de miembros superiores. Una vez equipados con el neuroprotésico, los voluntarios aprendieron a usarlo contrayendo repetidamente los músculos de sus brazos mientras se imaginaban haciendo cinco huellas comunes.
Después de completar este entrenamiento de 15 minutos, se pidió a los voluntarios que realizaran una serie de pruebas estandarizadas para demostrar la fuerza manual y la destreza. Estas tareas incluían apilar damas, pasar páginas, escribir con un bolígrafo, levantar bolas pesadas y recoger objetos frágiles como fresas y pan. Repitieron las mismas pruebas utilizando una mano biónica más rígida, disponible comercialmente, y encontraron que la prótesis inflable era tan buena, o incluso mejor, en la mayoría de las tareas en comparación con su contraparte rígida.
Un voluntario también pudo usar intuitivamente la dentadura postiza blanda en las actividades diarias, por ejemplo, para comer alimentos como galletas, pasteles y manzanas, y para manipular objetos y herramientas como computadoras portátiles, botellas, martillos y pinzas. Este voluntario también podría manipular con seguridad la prótesis esponjosa, por ejemplo, estrechando la mano de alguien, tocando una flor y acariciando a un gato.
En un ejercicio particularmente emocionante, los investigadores le vendaron los ojos al voluntario y descubrieron que podía discernir qué dedo protésico pinchaban y cepillaban. También pudo “sentir” viales de diferentes tamaños colocados en la mano protésica y los sostuvo en alto en respuesta. El equipo ve estos experimentos como una señal prometedora de que los amputados pueden recuperar algún tipo de sensación y control en tiempo real con su mano inflable.
El equipo ha presentado una patente sobre el diseño a través del MIT y está trabajando para mejorar su detección y rango de movimiento.
“Ahora tenemos cuatro tipos de manijas. Puede haber más ”, dice Zhao. “Este diseño se puede mejorar con una mejor tecnología de decodificación, matrices mioeléctricas de alta densidad y una bomba más compacta que se puede llevar en la muñeca. También queremos personalizar el diseño para la producción en masa, de modo que podamos traducir la tecnología robótica sin problemas en beneficio de la sociedad. «
Referencia: «Una mano neuroprotésica suave que proporciona control mioeléctrico y retroalimentación táctil simultáneos» por Guoying Gu, Ningbin Zhang, Haipeng Xu, Shaoting Lin, Yang Yu, Guohong Chai, Lisen Ge, Houle Yang, Qiwen Shao, Xinjun Sheng, Xiangyang Zhu y Xuanhe Zhao, 16 de agosto de 2021, Nature Biomedical Engineering.
DOI: 10.1038 / s41551-021-00767-0
