El Brazo biónico que siente: Luke Arm

Hablábamos anteriormente en otro artículo que, la revolución de las prótesis iniciaría con el desarrollo sensorial en estos dispositivos inertes. Así es, cuando una prótesis sea capaz de sentir de forma natural, como lo hace una persona, estaremos en una nueva era tecnológica. Bueno, parece ser que el brazo biónico Luke Arm ha dado paso a esta nueva era.

Inicios del brazo biónico Luke. Una solicitud de estado

El desarrollo del prototipo del brazo biónico incia en el año 2006, cuando la compañía dirigida por Dean Kamen, bajo la solicitud de la entidad gubernamental DARPA, es requerida para crear una prótesis que solucione la desgracia de aquellos chicos que volvían sin brazos de las guerras en Irak Y Afganistán. Esta solicitud la relata Dean en una charla TED en el año 2007,

Recibí una visita, hace casi exactamente un año, de una persona de muy alto grado del Departamento de Defensa. Vino a verme y dijo: «mil seiscientos de los chicos que hemos mandado allá han vuelto sin al menos un brazo completo desde la articulación del hombro. Aun así seguimos haciendo lo mismo, más o menos, que hemos hecho desde la guerra civil, que es ponerles un palo y un gancho. Y merecen más que eso». Y este tipo, sentado en mi oficina en New Hampshire, me dijo literalmente: «Quiero que me de algo que le podamos poner a estos chicos, algo que sea capaz de agarrar una uva o una pasa de la mesa, para que estos niños la puedan poner en sus bocas sin destruir cualquiera de estas dos, y que sean capaces de notar la diferencia sin tener que mirarla».
Terminó su explicación, y me quedé esperando la enorme propuesta de 300 libras de papel y él dijo: «Eso es lo que quiero que haga». Le respondí: «Mire, está loco. Esa tecnología simplemente no existe aún y no puede hacerse. No con la forma de un brazo humano con 21 grados de libertad, desde el hombro a la punta de los dedos». Me dijo: «Dos docenas de estos 1.600 chicos han vuelto sin los dos brazos. ¿Cree que perder un brazo es malo? Es sólo un inconveniente comparado a que hayas perdido ambos»
Me quedo pensando sobre estos chicos sin brazos. Él me cuenta: «Hemos trabajado un poco en esto por todo el país. Tenemos unos neurólogos y otras personas bastante impresionantes». Le dije: «Haré un viaje de estudio, iré a ver lo que tienen hecho». Durante el siguiente mes visité un montón de lugares, algunos por acá, otros por el resto del país, y encontré lo mejor de lo mejor. Fui a Washington, vi a estos tipos y les dije: «Hice lo que me pidieron. Vi lo que existe por ahí. Todavía creo que están locos. Pero no tan locos como pensaba»
Dean Kamen, Charla TED2007. Marzo 2007

De este modo, con la búsqueda de una solución a la sensible situación posguerra que afectaba a estos jóvenes, nace uno de los brazos biónicos más funcionales y versátiles de hoy en día.

Así lucía el brazo biónico Luke Arm en el año 2010

Aunque ha sido un camino laborioso, estos últimos años y gracias a determinados avances en ingeniería, la prótesis evolucionó estética y funcionalmente. Y es que la tecnología de hace 13 años dista mucho de la actual, la facilidad de la impresión 3D, la mejora de la relación tamaño-torque de los actuadores y la capacidad de procesamiento computacional, despejaron el camino a seguir para el sofisticado brazo biónico Luke

Una prótesis con sentido del tacto

Después de años de constante inversión (alrededor de $100’000.000 USD), la prótesis estuvo lista en el año 2014 y dos años más tarde fue lanzada al mercado. No obstante, siempre hay detalles por mejorar y eso percibieron el doctorando Jacob George y el ingeniero biomédico George Clark, ambos pertenecientes a la Universidad estatal UTAH. Resulta que la prótesis podía «sentir», el problema es que no sentía de una forma natural, como lo hace el ser humano.

Pero ¿cómo siente un objeto inanimado? Las prótesis que llegan a sentir utilizan un sistema llamado la retroalimentación sensorial, que se basa en en el funcionamiento del tacto del ser humano. De modo que los artefactos inertes, como las prótesis, requieren que cuando exista un contacto se simulen los impulsos eléctricos que se generan en el tacto humano, lleguen al cerebro del paciente y entonces, el cerebro procese la información y entienda que ha tocado algo. Pero ¿cómo hacer para que el cerebro entienda que ha tocado algo si no hay manos?

Vamos a un ejemplo, cuando agarramos una uva entre nuestros dedos intuitivamente sabemos hasta que punto apretar para no estallarla. A medida que apretamos, de la piel hacia dentro, nuestro cableado nervioso envía una cantidad de señales variables a nuestro cerebro, el cual se encarga de procesarlas y reaccionar, ya sea aplicando más fuerza o disminuyéndola. Ahora, este proceso es el que se debe trasladar a la prótesis.

Para lograr esto, el material que tenga contacto con los objetos en las prótesis debe ser un material que tenga propiedades piezoeléctricas, es decir, que pueda transformar la tensión mecánica en un impulso eléctrico. Esta piel artificial en el Brazo Luke, es un polímero llamado poliimida al que se le agregaron diminutos nanotubos de carbono. Pero no todo se soluciona con el material, los investigadores debían encontrar la forma de manipular estas señales y diseñar un algoritmo que se comporte como en realidad sucede en el tacto humano.

De ahí que se desarrolle un sistema de bioretroalimentación sensorial, el cual, es capaz de engañar al cerebro para que sienta por medio de la prótesis. La piel sintética entra en contacto, transforma la presión en impulsos eléctricos que se envían por medio de una conexión a los nervios periféricos del paciente, el cerebro los procesa y envía instrucciones según lo que sintió a los actuadores.

Recordemos que aunque los pacientes han perdido su extremidad su sistema nervioso continua funcionando, de no ser así, no se produciría lo que se conoce como el sindrome del miembro fantasma.

La prótesis agarrando una uva sin malograrla

Por ejemplo, en el caso de uno de los beneficiados de este proyecto, Kevin Walgamott, fue capaz de agarrar un huevo sin quebrarlo y una uva sin espicharla. Esto se logra gracias al algoritmo desarrollado por los investigadores de UTAH. De hecho, se hicieron pruebas en los pacientes con los ojos vendados y con anulación auditiva, de esta forma se garantiza que el cerebro no tenga una percepción visual o auditiva de la dureza del objeto.

La prótesis Luke Arm

Ahora es momento de analizar el brazo biónico Luke Arm. La prótesis se reviste con una apariencia que no se esmera por ser identica a la de un brazo humano, ni siquiera de tener un concepto estético como lo tienen otras prótesis, pongamos por caso el Hero Arm de Open Bionics, que posee sockets personalizables de superhéroes.

Sin embargo, en cuanto a funcionalidad es una prótesis admirable. El brazo cuenta con 10 articulaciones que simulan en totalidad el movimiento de cada una de las articulaciones naturales del brazo humano. En la mano, donde se encuentran las articulaciones mas desafiantes al momento de simular, DEKA realizó un espléndido trabajo. Diseñó el brazo biónico con múltiples agarres que abarcan casi la totalidad de movimientos necesarios para las actividades diarias.

En cuanto al control de la prótesis, no debe ser sorpresa que se de por medio de señales electromiográficas. Dicha adquisición de señales se da por electrodos implantados en los nervios cubital y medial. Pero no es posible controlar 10 articulaciones solamente con los nervios remanentes en el brazo.

De manera que, el brazo biónico también es controlado por medio de una Unidad de Medición Inercial ubicada en los zapatos del paciente. Un caso particular es que si el usuario gira su pie hacia dentro o hacía afuera, se produce la supinación o pronación de la muñeca. Y gracias al control proporcional que tiene la prótesis, si el usuario mueve rápidamente su pie el movimiento de su brazo artificial será igual en velocidad.

Otra característica interesante, es que los creadores no se enfocaron solamente en un nivel de amputación, por el contrario, diseñaron 3 prótesis para cada tipo de amputación. Una para las personas con desarticulación del hombro, una para amputación transhumeral y una para personas con desarticulación de la muñeca. En la imagen se pueden ver las características de cada una.

Como último dato y no menos importante, aunque sí bastante predecible (?), el nombre de la prótesis es una referencia a la mano robótica que usa Luke Skywalker luego de perder su mano en la batalla contra Darth Vader en Star Wars V: El Imperio contrataca.

Mano robótica de Luke Skywalker en el Imperio contrataca

Diferencias sensoriales

Al inicio se planteó que el brazo Luke Arm daba paso a una nueva era en cuanto a las prótesis sensitivas. Aunque ya hay unas capaces de sentir, la desarrollada por DEKA en conjunto con la UTAH, tiene un factor diferenciable: es capaz de sentir naturalmente como una persona.

Razón por la cual, el trabajo realizado por los investigadores en el Luke Arm abre paso al desarrollo de dispositivos artificiales con habilidades sensoriales naturales. A diferencia de otras prótesis que solo envían un impuso al cerebro al entrar en contacto con un objeto mas no discriminan la dureza, elasticidad o dimensiones del objeto.

En definitiva, ha sido un trabajo de constante inversión e investigación que pretende salir de los laboratorios de una buena vez para inmiscuirse entre la cotidianidad con una versión portátil. Se espera que esto sea posible en el año 2020