Robotización De Prótesis Para Humanos

Robotización de prótesis para humanos

Objetivo

En este artículo se hace una revisión de las prótesis robóticas para personas. Además en este trabajo se presentan algunos argumentos que justifican el desarrollo de las mismas, y los principales retos que existen para crear prótesis fiables para un alto rendimiento que emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que se sustituyen. Por ultimo se presentan algunos ejemplos de prótesis robóticas exitosas.

Introducción

La palabra prótesis proviene del griego: pros (p???) 'por añadidura', 'hacia' the-sis (??s??) 'disposición' [1]. El diccionario de la Real Academia Española adopta como definición: Procedimiento mediante el cual se repara artificialmente la falta de un órgano o parte de él; o como el aparato o dispositivo destinado a esta reparación. [2].

En términos generales una prótesis (dentro del ámbito medico), es una extensión artificial que remplaza una parte faltante del cuerpo.

Considerando las definiciones citada en el párrafo anterior, podemos definir a una prótesis robótica, como " un elemento artificial dotado de cierta autonomía e inteligencia capaz de realizar una función de una parte faltante del cuerpo ".

Dicha autonomía e inteligencia se logra al integrar sensores, procesadores, actuadores, y complejos algoritmos de control.

De acuerdo a esta definición, las prótesis de uso cosmético quedan completamente excluidas, como por ejemplo los ojos de vidrios, las piernas de madera, etc.

Existen ejemplos de usos de prótesis en la antigüedad como la mano de acero utilizada por Gotz von Berlichingen (1504 d.C.) [3], o la pierna de Bronce de Capua (300 a.C.) [4], o lo que hasta la fecha es la prótesis hallada mas antigua "el dedo gordo del Cairo", perteneciente a una momia egipcia (entre 1069 a.C. y 664 a.C) [5]. (figura 1).

Figura 1: [1] Primeras prótesis

Si bien, el uso de prótesis es consecuencia de accidentes, cáncer, males formaciones, etc., el factor determinante que ha impulsado el desarrollo de las mismas fue la necesidad de mejorar la calidad de vida de los sobrevivientes de guerras.

El desarrollo de prótesis, involucra la necesidad de fusionar conocimientos de la fisiología y biomecánica humana, mecanizado de materiales y prototípico de mecanismos, interface hombre- maquina.

En este artículo se muestra las prótesis actuales y los desarrollos recientes de prótesis robóticas, por ultimo se presentan algunos argumentos que justifican el desarrollo de prótesis robóticas, y los principales retos que existen para crear prótesis fiables.

Justificación de la robotización

Las prótesis datan desde 1912, estas prótesis tenían la forma de gancho que podía ser cerrado o abierto encogiendo los hombros y mediante una cuerda que pasaba por la espalda. Después de la segunda guerra mundial, se creo la mano mioelectrica, sin embargo esto no cambio el hecho de que las prótesis eran difíciles de manejar.

Las prótesis de brazo tienen como mucho tres grados de

libertad: se puede abrir y cerrar el gancho, se puede extender y retraer el codo, y con los modelos mas sofisticados se puede rotar la muñeca.

Esto contrasta con un brazo humano que tiene mas de 25 grados de libertad y por lo tanto una mayor destreza, además de la habilidad de determinar si algo esta frio o caliente. Por otro lado, en las prótesis de pierna existen aun algunos problemas, por ejemplo, los amputados que utilizan prótesis mecánicas requieren entre 10-60% mas energía metabólica que las personas tienen el miembro real, dependiendo de la velocidad de caminado, el estado físico de la persona, la causa de la amputación, el nivel de amputación, y las características de la prótesis. Además, los amputados caminan entre 10-40% más lento que las personas intacta.

[9]. Tales problemas clínicos son en parte generados por las prótesis actuales. Las prótesis comerciales actuales comprimen estructuras de resortes que almacenan y liberan energía durante cada periodo de estancia. Debido a su naturaleza pasiva, estas prótesis no pueden generar más energía mecánica que la que es almacenada durante cada paso. Al contrario, el tobillo humano genera trabajo neto positivo y tiene mayor potencia pico durante el periodo de estancia.

Por otra parte, en los últimos años se han desarrollado con gran éxito diversas prótesis visuales que han permitido a personas ciegas percibir objetos y determinar su posición.

Estas prótesis están aùn lejos de devolver la vista a las personas ciegas, sin embargo tienen un enorme potencial, y se irán haciendo más útiles a medida que mejore la tecnología.

Dificultades en la elaboración

Hacer una prótesis robótica de una calidad aceptable requiere de un enorme esfuerzo, no solo en el campo de la mecatrónica si no también en neurociencia, ingeniería electrónica, ciencias cognitivas, procesamiento de señales, diseño de baterías, nano-tecnología, y ciencias del comportamiento.

Para obtener una prótesis que emule en buena forma la dinámica del miembro amputado es necesario que el diseño satisfaga ciertas especificaciones, como lo son:

• Tamaño y Masa: Las dimensiones de la prótesis deben ser las mismas que las del miembro que sustituyen. Por otro lado, la masa debe ser igual o menor a la del miembro amputado para que el portador pueda manipularla con facilidad y no haga esfuerzos extraordinarios que puedan dañar los músculos que soportan la prótesis.

• Velocidad y Torque. La prótesis debe capturar completamente el comportamiento torque velocidad del miembro que sustituye.

• Baterías. La duración de las baterías de una prótesis robótica debe permitir un funcionamiento de al menos 16 hrs para que el usuario no tenga problemas de insuficiencia de energía durante las actividades diarias.

• Ancho de Banda del Torque. El ancho de banda de

una prótesis es la frecuencia a la que se debe actualizar el torque aplicado en el mecanismo de accionamiento de tal manera que el caminado sea natural.

Una de las principales limitaciones por la cual el desarrollo

de prótesis robóticas comerciales no se a realizado se debe a el pequeño número de personas que lo necesitan. Debido a eso puede resultar que una prótesis de elevado numero de grados

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