Creo que los exoesqueletos están entre los más importantes avances médicos en mi vida

Creo que los exoesqueletos están entre los más importantes avances médicos en mi vida. Lo que estamos presenciando hoy en el mundo medico puede compararse con el descubrimiento de la penicilina, el desarrollo de las máquinas de rayos X y la llegada de la cirugía para trasplantes.

Aproximadamente el 1% de la población del mundo depende de las sillas de ruedas para movilizarse. Con el envejecimiento de la población este número aumenta desmesuradamente. Esto significa que aproximadamente, 3 millones de americanos, 5 millones de europeos, un total aproximado de 10 millones de ciudadanos de países desarrollados y 60 millones de personas alrededor del mundo dependen de las sillas de ruedas. Mientras que las sillas de ruedas han mejorado en su calidad durante las últimas décadas, las opciones para las personas con problemas de movilidad son limitadas. Todo eso está a punto de cambiar.

Cuatro fabricantes de exoesqueletos, de tres distintos continentes, están lanzando sus productos al mercado. Muchos usuarios de sillas de ruedas pronto tendrán la oportunidad de caminar por primera vez en años. El caminar tiene significado, no solamente por la obvia mejora de vida, sino también por la mejora de la salud de las personas con problemas de movilidad. Los humanos no fueron diseñados para sentarse por horas. El resultado de estar sentados constantemente resulta en llagas, músculos de piernas atrofiados y huesos frágiles. Pero el impacto del uso de sillas de ruedas no es solamente debido a estar sentado, por ejemplo, los usuarios de sillas de ruedas 5tambien pagan un precio por empujar sus sillas de ruedas. Los usuarios de sillas de ruedas están en un alto riesgo de desarrollar el síndrome de túnel carpiano o frecuentes lesiones del impacto constante de sus manos contra aros de las llantas. Mientras las sillas de ruedas ofrecen libertad a las personas con problemas de movilidad, no es de gratis. Los exoesqueletos ofrecerán, por fin, una opción de movilidad alterna para los usuarios de sillas de ruedas.

De seguro, la primer generación de exoesqueletos no será idea. Estos exoesqueletos son lentos y voluminosos. Los primeros exoesqueletos también serán extremadamente caros y con un precio muy alto para que la mayoría de usuarios de sillas de ruedas los disfruten. Pero, no será por mucho tiempo hasta que se logre un progreso y la segunda, tercera y cuarta generación de exoesqueletos sean desarrolladas, los cuales serán más livianos, rápidos y económicos.

Historia

Durante décadas, los ingenieros y científicos han soñado con llevar a la vida real un exoesqueleto eso podría aumentar la fuerza humana, convirtiendo a una persona común en una "sobrehumano". Debido a limitaciones tecnológicas, las realizaciones prácticas podrían no se desarrolló hasta hace una década. Con la corriente miniaturizada y poderosa computadora y sistema de comunicación, ahora es posible desarrollar arquitecturas de control. La nueva tecnología también creó pequeños y poderosos actuadores que pueden integrarse en dispositivos portátiles. Nuevas fuentes de poder tienen sido investigados y ahora están haciendo posible aumentar la autonomía de sin ataduras dispositivos. Todos estos avances en la tecnología se están convirtiendo en realidad el sueño de dar vida a los exoesqueletos de la robótica.

 El primer dispositivo que puede considerarse un precursor de los exoesqueletos modernos es una máquina llamada Hardiman. Hardiman fue desarrollado por General Electric en 1965 y estaba destinado a permitir al usuario levantar 680 kg. Usado como un mecánico externo prenda, la estructura motorizada debería levantar 25 kg, ya que el usuario debería sentirla como solo 1 kg. El dispositivo nunca se ha usado en la práctica, ya que cualquier intento de realizar maniobras por parte del usuario se convirtió en un movimiento violento e incontrolable, impidiendo el control de la máquina. La investigación adicional se ha centrado en un brazo. Ellos han tenido éxito y el brazo fue capaz de levantar la carga especificada de 340 kg. Pero ya que la estructura mecánica del brazo pesaba 750 kg y era imposible de conseguir todos los componentes trabajando juntos, el proyecto final fue limitado. Finalmente, Hardiman tamaño, peso, falta de estabilidad y problemas de suministro de energía lo mantuvieron como una simple prototipo. El prototipo de General Electric Hardiman se puede ver en la figura 1.1. Los exoesqueletos desarrollados hoy en día tienen dos propósitos principales: militar o dispositivos de rehabilitación. Los exoesqueletos militares están destinados a ser utilizados por los soldados en el campo de batalla o en actividades de rescate. Están destinados a aumentar la fuerza y la resistencia de los soldados, posibilitando que carguen cargas pesadas, caminando distancias más largas, etc. El desarrollo del exoesqueleto militar ha sido básicamente promovido por DARPA (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa), una agencia del Departamento de Defensa de los Estados Unidos responsable del desarrollo de nuevas tecnologías para uso militar. Dos proyectos principales, desarrollados respectivamente por Sarcos en Utah y Berkeley en California (Steger et al., 2006), han sido financiados por DARPA. Por otro lado, los exoesqueletos para la rehabilitación están destinados a ser utilizados en entornos clínicos, donde estos dispositivos pueden ayudar a los sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares a recuperar movimientos perdidos Además, se puede aplicar a otros tipos de pacientes, como pacientes con lesión de la médula espinal. Si la lesión de la médula espinal está incompleta, una rehabilitación proceso, similar para pacientes con accidente cerebrovascular, se puede aplicar. En caso de completa lesión en la médula espinal, el exoesqueleto puede compensar la marcha perdida. Consiguiendo estas personas que se bajan de su silla de ruedas para caminar de nuevo pueden traer un gran beneficio a su salud e independencia.

En la rehabilitación de la marcha, los exoesqueletos asumen la tarea de mover el
pierna en un patrón de marcha normal, generalmente en un paradigma de asistencia según se necesite (Pons, 2008). Esto significa que el exoesqueleto solo aplica la fuerza requerida para completar
el movimiento del paciente en las extremidades dañadas. Este enfoque conduce a un aumento
en esfuerzo físico volitivo mientras que también le permite al sujeto enfocarse en el
proceso de marcha, que puede ser más efectivo para el aprendizaje motor.

II. EXTREMIDADES SUPERIORES

A partir de esta investigación, es posible afirmar que gran parte de los desarrollos alrededor de los exoesqueletos se ha concentrado en solucionar los problemas relacionados con las extremidades inferiores del cuerpo humano. Sin embargo, no dejan de existir los esfuerzos que se concentran también en las extremidades superiores, como los brazos y manos, incluyendo las articulaciones del codo, el hombro, las muñecas y los dedos. A continuación, en los numerales 2.1 y 2.2, se describen algunos de los trabajos realizados en estas áreas.

2.1 Mano:

En cuanto a la rehabilitación de los dedos, Ju Wang, Jiting Li, Yuru Zhang y Shuang Wang [1] presentan un exoesqueleto con cuatro grados de libertad para la rehabilitación del dedo índice. El dispositivo puede generar movimiento bidireccional (flexión-extensión) para todas las articulaciones del dedo y es ajustable para varios tamaños de mano. Se utilizan sensores de fuerza Flexiforce® y encoders junto al motor de DC para medir la posición angular. La información recibida de los sensores, se utiliza para realizar el control del exoesqueleto y evaluar y analizar los efectos de la rehabilitación. También enfocados en la rehabilitación, Andreas Wege, Konstantin Kondak, y Günter Hommel [2], desarrollaron un exoesqueleto para la rehabilitación de la mano, empezando con la construcción de un prototipo mecánico de cuatro grados de libertad, el cual es movido por una unidad actuadora y recibe información a través de sensores de efecto hall en cada articulación de la estructura; por medio de ecuaciones trigonométricas y conociendo la longitud de cada segmento, calculan los ángulos correspondientes a cada falange. También utilizan sensores de fuerza resistivos en las partes superior e inferior de las falanges y sensores mioeléctricos para medir la actividad de algunos músculos de interés.

Por su lado, Bobby L. Shields y otros autores, en el documento "An anthropomorphic hand exoskeleton to prevent astronaut hand fatigue during extravehicular activities" [3], presentan un prototipo, también con fines médicos, pero esta vez con un enfoque preventivo. El exoesqueleto mecánico para la mano, es diseñado para encajar en la mano enguantada de un astronauta y contrarrestar la rigidez del traje espacial presurizado. Los movimientos de la mano se monitorean con un arreglo de sensores de presión ubicados entre el exoesqueleto y la mano y, por medio de un microcontrolador, se aplican los comandos del controlador a un arreglo motor controlado por PWM.

2.2 Brazo y antebrazo:

Muchos exoesqueletos se diseñan también para su aplicación en los brazos humanos, incluyendo las articulaciones del codo (brazo-antebrazo) y el hombro. En este campo, existen desarrollos que ayudan en la rehabilitación de personas, otros que brindan apoyo para aumentar las capacidades humanas y también los que permiten la interacción con ambientes virtuales para múltiples propósitos.

El proyecto EXOCAP [9], desarrollado en Colombia, muestra la elaboración de software y hardware para interaccionar con mundos de realidad virtual y realidad aumentada, con software de libre distribución y tecnología disponible en el mercado colombiano. Se desarrolla un exoesqueleto de brazo con el fin de probar la viabilidad del diseño de un exoesqueleto completo, utilizando aluminio para construir la estructura, sensores de rotación y un hardware basado en un conversor análogo digital. En otra región de Colombia, los ingenieros Jason Edwin Molina y Juan Pablo González de la Universidad tecnológica de Pereira [10], definen una forma para realizar un sistema de control en un exoesqueleto con una estructura para el brazo. Muestran cómo hacer un sistema completo que responda ante la referencia proveniente del humano y se realiza una identificación de parámetros del actuador para finalmente proponer un sistema de control de fuerza para la estructura mecánica y el actuador eléctrico. También en la Universidad Tecnológica de Pereira, Jason Edwin Molina y Álvaro Ángel Orozco exponen su trabajo "Desarrollo de un sistema de control para asistencia del movimiento humano tipo flexión extensión del brazo, para el desarrollo de exoesqueletos" [11]. Utilizan una metodología que consiste en realizar un sistema que contenga al humano y la máquina dentro de un mismo sistema, intercambiando señales de información y potencia. Para realizar lo anterior, plantean una red neuronal como modelo del músculo, la cual se ubica dentro de los modelos macroscópicos del mismo y es entrenada bajo el paradigma Backpropagation.

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