La mano robótica inflable brinda a los amputados control táctil en tiempo real | Noticias del MIT

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Para los más de 5 millones de personas en todo el mundo que han sufrido una amputación de un miembro superior, las prótesis han recorrido un largo camino. Más allá 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 de un usuario e imitar robóticamente sus movimientos previstos.

Pero esta destreza de alta tecnología tiene un precio. Las neuroprótesis pueden costar decenas de miles de dólares y están construidas alrededor de esqueletos de metal, con motores eléctricos que pueden ser pesados ​​y rígidos.

En la actualidad, los ingenieros del MIT y de la Universidad Jiao Tong de Shanghai han diseñado una mano neuroprotésica suave, liviana y potencialmente económica. Los amputados que probaron la extremidad artificial realizaron actividades diarias, como cerrar una maleta, verter un cartón de jugo y acariciar a un gato, tan bien, y en algunos casos mejor, que aquellos con neuroprótesis más rígidas.

Los investigadores encontraron que la prótesis, diseñada con un sistema de retroalimentación táctil, devolvió una sensación primitiva al miembro residual de un voluntario. El nuevo diseño también es sorprendentemente duradero, y se recupera rápidamente después de ser golpeado con un martillo o atropellado con un automóvil.

La mano inteligente es suave y elástica y pesa alrededor de media libra. Sus componentes suman alrededor de $ 500, una fracción del peso y el costo del material asociados con las extremidades inteligentes más rígidas.

"Todavía no es un producto, pero el rendimiento ya es similar o superior a las neuroprótesis existentes, lo que nos entusiasma", dice Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT. “Existe un enorme potencial para hacer que esta prótesis sea flexible a un costo muy bajo para familias de bajos ingresos que han sufrido amputaciones. "

Zhao y sus colegas publicaron hoy su trabajo en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza. Los coautores incluyen al becario postdoctoral del MIT Shaoting Lin, así como a Guoying Gu, Xiangyang Zhu y colaboradores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China.

Mano de gran héroe

El nuevo diseño suave del equipo se parece sospechosamente a 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 incluye cinco dedos en forma de globo, cada uno con incrustaciones de segmentos de fibra, similares a los huesos articulados de los dedos reales. Los dígitos curvos están conectados a una "palma" impresa en 3D con la forma de una mano humana.

En lugar de controlar cada dedo con 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 consta de una pequeña bomba y válvulas, se puede llevar en la cintura, lo que reduce en gran medida 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 lograr 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 pellizcar dos y tres dedos juntos, hacer un puño en la bola y tomar la palma de la mano.

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 instalan en la apertura 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 cerrando 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 imagina, 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.

Avanzando en su diseño, los investigadores buscaron habilitar la retroalimentación táctil, una característica que no está incorporada en la mayoría de las neuroprótesis comerciales. Para ello, cosieron en cada dedo un sensor de presión que, al tocarlo o apretarlo, produce una señal eléctrica proporcional a la presión detectada. Cada sensor está conectado a una ubicación específica en el miembro residual de una persona amputada, de modo que el usuario pueda "sentir" cuando se presiona el pulgar de la prótesis, por ejemplo, en relación 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 la neuroprótesis, los voluntarios aprendieron cómo usarla contrayendo repetidamente los músculos de sus brazos mientras se imaginaban haciendo cinco agarres articulares.

Después de completar este entrenamiento de 15 minutos, se pidió a los voluntarios que completaran una serie de pruebas estandarizadas para demostrar la fuerza y ​​la destreza manuales. Estas tareas incluían apilar damas, pasar páginas, escribir con un bolígrafo, levantar bolas pesadas y recoger artículos 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, si no mejor, en la mayoría de las tareas, en comparación con su contraparte rígida.

Un voluntario también pudo usar intuitivamente la prótesis blanda en sus 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 manejar con seguridad la prótesis blanda, como estrechar la mano de alguien, tocar una flor y acariciar a un gato.

En un ejercicio particularmente emocionante, los investigadores le vendaron los ojos al voluntario y descubrieron que podía discernir qué dedo protésico habían empujado y cepillado. También pudo “oler” botellas de diferentes tamaños que se colocaron en la mano protésica y las levantó en respuesta. El equipo ve estas experiencias como una señal prometedora de que los amputados pueden recuperar algún tipo de sensación y control en tiempo real con la 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 captura. Puede haber más ”, dice Zhao. “Este diseño se puede mejorar con una mejor tecnología de decodificación, redes mioeléctricas de mayor 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 suave en beneficio de la empresa. "

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