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martes , diciembre 1 2020
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Desde 6 millones hasta 50 USD: las nuevas tecnologías permiten que todo el mundo pueda acceder a las prótesis avanzadas

¿Podemos crear verdaderos superhumanos gracias a la tecnología biónica?

Históricamente, siempre se ha esperado que las prótesis ofrezcan una apariencia y un funcionamiento tan “normales” como sea posible. En la actualidad, por influencia de factores como el éxito de los atletas paralímpicos conocidos como “blade runners”, la diferencia en las extremidades ha dejado de considerarse algo negativo y los usuarios están deseando mejorar su funcionalidad y rendimiento. En el pasado, las prótesis funcionales estaban, o bien accionadas por el cuerpo (normalmente, con cables y arneses para que el usuario las manipulara con sus propios movimientos), o bien accionadas eléctricamente mediante motores que funcionan desde una fuente de energía independiente. Aunque estas pueden ofrecer mayores rangos de movimiento y funcionalidades más sofisticadas, el peso y la facilidad de uso son retos fundamentales.

La interfaz bioelectrónica

Las prótesis mioeléctricas que aprovechan los impulsos de control muscular electromiográficos (EMG) del propio cuerpo pueden ofrecer una solución. Las señales electromiográficas naturales generadas a través del cerebro y del sistema nervioso dirigen la contracción y la relajación muscular para mover la extremidad de la forma deseada. Colocados en las ubicaciones adecuadas, los sensores pueden captar estas señales que el usuario normalmente utilizaría para controlar la extremidad que falta. Si los músculos se pueden entrenar, se puede conseguir controlar el movimiento de la prótesis de una forma elegante y natural. Hay varios tipos de electrodos de EMG disponibles, como los de aguja o los de hilo fino que se insertan en los músculos, así como los electrodos superficiales diseñados para su uso con o sin un medio de gel para mejorar la captación de la señal. Para un uso prolongado en prótesis mioeléctricas, los sensores de EMG superficiales son fáciles de usar, seguros y cómodos, y se pueden colocar sobre la superficie de los músculos concretos. A veces se pueden colocar discretamente dentro del encaje protésico.

Depuración de las señales

Los retos consisten en capturar y procesar la señal de EMG mediante un sistema informático externo artificial para generar señales de control para dispositivos mecatrónicos (los motores de la prótesis que permitirán al usuario manipular la extremidad de la forma deseada). Esto no es una tarea sencilla, ya que las señales de EMG sin procesar, aunque obviamente están bien adaptadas para estimular los músculos, no son adecuadas para controlar los motores eléctricos (figura 1). Las señales, existentes en el rango de frecuencia de 4 Hz a 500 Hz contienen grandes cantidades de ruido de diversas fuentes, incluidas las señales electrocardiográficas (ECG) del corazón y las fuentes de ruido externas, como las interferencias en la frecuencia de la red eléctrica de CA local. Se pueden aplicar filtros de paso bajo, de paso alto y de muesca para eliminar las señales de ruido. Las señales de EMG filtradas contienen irregularidades que producirían respuestas engañosas si se aplicaran de forma proporcional para excitar el motor eléctrico, lo que provocaría movimientos incontrolados de la extremidad. Por lo tanto, es necesario un acondicionamiento adicional para empezar a crear una señal que se pueda utilizar para controlar el motor o los motores de la prótesis. Una posible solución es clasificar varios tipos diferentes de contracciones musculares, para los que se pueden obtener señales de control del motor viables. Para proporcionar un amplio rango de movimientos que parezcan tan naturales como sea posible, se deberá instruir al usuario en cierta medida sobre los movimientos que puede proporcionar una prótesis recién instalada y cómo controlarlos.

IA y el futuro

Las prótesis nuevas deben ajustarse por sí mismas cuando se implantan por primera vez en un paciente para emular los movimientos naturales del individuo, como la marcha, el estado y la fuerza relativa del resto de los músculos. Este proceso manual puede conllevar bastante tiempo y se basa en el ensayo y error. Se espera que puedan aprovecharse las ventajas de la IA para acelerar este proceso. El aprendizaje automático basado en miles de ejemplos podría ahorrar gran A medida que se van desarrollando estos cambios, la interfaz de las biomáquinas podría retrotraerse aún más al sistema nervioso humano con el avance de las interfaces cerebro-computadora (BCI) que aprovechan la electroencefalografía (EEG) para determinar el movimiento deseado por el usuario a medida que se concibe en el cerebro. En un estudio realizado con sujetos con las extremidades inferiores amputadas, la colocación de electrodos en la superficie del cuero cabelludo concluyó que el BCI basado en EEG era factible como medio de control de las extremidades. En un documento preliminar publicado recientemente, la Administración de Alimentos y Documentos de EE. UU. (FDA, por su siglas en inglés) está fomentando el diálogo entre profesionales médicos y fabricantes de dispositivos para empezar a establecer un marco legal para diversos tipos de neuroprótesis controladas por BCI.

Asequibilidad

Aunque el aprendizaje es una posible barrera para el desarrollo de las extremidades biónicas, el coste es otra de ellas. Sin embargo, con la llegada del hardware de código abierto y de procesos como la impresión en 3D, adecuada para la producción de bajo volumen de piezas mecánicas y articuladas, el coste de producir extremidades protésicas efectivas podría reducirse significativamente. Estas tecnologías están potenciando la aparición de nuevas empresas emergentes especializadas en el desarrollo de extremidades biónicas para ofrecer productos funcionales y asequibles. Un ejemplo es la galardonada empresa británica Open Bionics, que produce el Hero Arm (figura 2), que tiene forma de brazo de superhéroe de cómics y, de hecho, se suministra con una gran variedad de pegatinas de superhéroes. El Hero Arm ofrece hasta seis patrones de agarre diferentes con control proporcional que deben aprenderse, un modo de congelación para evitar que los objetos agarrados se suelten por accidente y retroalimentación háptica y sonora.

El encaje protésico se imprime en 3D de manera individual tras escanear el brazo del usuario. El brazo está diseñado principalmente para los niños, y se puede cambiar su tamaño de forma económica a medida que el niño vaya creciendo. Las tecnologías accesibles también han permitido la puesta en marcha de empresas emergentes de una sola persona, como Ambionics, otra galardonada empresa de prótesis, en este caso creada por Ben Ryan, a cuyo hijo tuvieron que amputarle el brazo con solo 10 días de vida. Quizás lo último en democratización de la tecnología biónica sea el Handy Wearable de Youbionic. Cualquier persona puede descargarse los archivos de impresión en 3D que se pueden producir mediante un equipo de impresión comercial que cuesta unos 50 USD y así crear su propia mano biónica mediante un sensor EMG de uso directo con servomotores y un controlador Arduino Nano. El Handy Wearable no está diseñado para uso médico, pero es una forma asequible de que los expertos del mañana empiecen a aprender, y muestra lo asequible y accesible que puede llegar a ser la tecnología biónica.

Conclusión: la pregunta de los seis millones de dólares

Teniendo en cuenta todo lo que podemos reconstruir, ¿seremos más fuertes y rápidos, con capacidades sobrehumanas como las del increíble Steve Austin? Debería ser posible “activar” varias acciones, como correr o levantar las extremidades traduciendo las contracciones musculares solicitadas por las señales EMG naturales en solicitudes de mayor velocidad o par motor. Sin embargo, habrá restricciones obvias, como los límites prácticos de tamaño y peso, que determinarán la velocidad y el par máximos que puede proporcionar el motor; las restricciones de la batería y de la demanda de energía; y la carga soportada por las estructuras corporales naturales conectadas, como la columna vertebral o la pelvis. Quizás sea posible dar súper poderes, pero puede que no sean tan súper como los guionistas nos han hecho creer. En cualquier caso, recuperar la fuerza y la movilidad prácticamente naturales en respuesta a la discapacidad genética o a la pérdida de extremidades es un logro sobrehumano en sí mismo. Si quieres acercarte a la tecnología médica de una forma más desenfadada, dirígete a la sección de podcasts de Apple o de Spotify y descárgate el podcast de DesignSpark en la dirección https://www.rs-online.com/designspark/2-medical-tech-will-itmake- us-super-healthy-humans.



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