Julian Smith New Scientist
LONDRES.- Cinco años después de perder una de sus piernas en Afganistán, el veterano de guerra Mike McNaughton puede correr lo suficientemente bien como para entrenar al equipo de fútbol de su hijo de 11 años.
Pudo lograrlo, en parte, gracias a su determinación, pero también a causa de la pieza de alta tecnología de la que dispone: una rodilla hidráulica computadorizada que monitorea y se ajusta a cada uno de sus pasos, con un tiempo de respuesta de milisegundos.
Después de décadas de utilizar diseños que cambiaron poco y nada desde la Segunda Guerra Mundial, están finalmente saliendo de los laboratorios extremidades artificiales que predicen el movimiento del paciente y que parecen reales.
Sin embargo, prótesis sintéticas confortables como la de McNaughton son sólo el comienzo de la era biónica.
Las tecnologías protésicas emergentes prometen no sólo gran fuerza y flexibilidad, sino también piel artificial sensible a la presión e incluso brazos y piernas que estarán controladas por la mente, y todo esto de acá a cinco años.
Reconstruir a los amputados para que sean más rápidos y poderosos que antes es una posibilidad que se está volviendo real. Con prótesis experimentales que son posibles integrar con los músculos, los huesos y el sistema nervioso, incluso la idea de "perder una extremidad" puede volverse obsoleta en el futuro.
"Este es un momento muy excitante para la investigación de prótesis avanzadas", opina John Bigelow, que trabaja en brazos robóticos controlados por el cerebro en la Universidad Johns Hopkins, Estados Unidos.
Bigelow explica que hay muchas razones para esta expansión de la biónica. Componentes más pequeños y mejores permiten poner más equipos en las prótesis que nunca antes. Además, hay cada vez más amputados en los Estados Unidos a causa del aumento de la diabetes, así como soldados heridos en el Oriente Medio. Estos factores fomentan la inversión en tecnologías biónicas.
Los primeros resultados de este boom están llegando al mercado comercial. Por alrededor de US$ 30.000 una persona que perdió una pierna puede obtener una prótesis como la de McNaughton, con software inteligente que "aprende" la manera de andar de cada usuario y puede adaptarse a diferentes terrenos.
Algunos ejemplos son la C-Leg, de la compañía ortopédica alemana Otto Block, y la Rheo Knee, de la compañía islandesa Össur. Estas utilizan una combinación de motores y elementos hidráulicos que hacen que acarrearlas sea menos cansador, además de fibras carbónicas que emulan las propiedades elásticas de los huesos y de los tendones.
Los pies protésicos siempre fueron difíciles de diseñar. Los músculos naturales y los tobillos ajustan en todo momento la fuerza, y la elasticidad de nuestros tendones nos permite caminar utilizando relativamente poca energía. Los amputados de las extremidades inferiores tienden a "caminar más lento, usar más energía metabólica y ser menos estables, incluso en suelos planos", explica Hugh Herr, del Instituto de Tecnología de Massachusetts y doble amputado de sus extremidades inferiores.
Para solucionar este problema, el grupo de Herr diseñó una prótesis de pie, el iWalk PowerFoot One, que utiliza un motor eléctrico y resortes para reemplazar los tendones, junto con seis sensores que miden la posición del tobillo y las fuerzas a las que está sometido.
LONDRES.- Cinco años después de perder una de sus piernas en Afganistán, el veterano de guerra Mike McNaughton puede correr lo suficientemente bien como para entrenar al equipo de fútbol de su hijo de 11 años.
Pudo lograrlo, en parte, gracias a su determinación, pero también a causa de la pieza de alta tecnología de la que dispone: una rodilla hidráulica computadorizada que monitorea y se ajusta a cada uno de sus pasos, con un tiempo de respuesta de milisegundos.
Después de décadas de utilizar diseños que cambiaron poco y nada desde la Segunda Guerra Mundial, están finalmente saliendo de los laboratorios extremidades artificiales que predicen el movimiento del paciente y que parecen reales.
Sin embargo, prótesis sintéticas confortables como la de McNaughton son sólo el comienzo de la era biónica.
Las tecnologías protésicas emergentes prometen no sólo gran fuerza y flexibilidad, sino también piel artificial sensible a la presión e incluso brazos y piernas que estarán controladas por la mente, y todo esto de acá a cinco años.
Reconstruir a los amputados para que sean más rápidos y poderosos que antes es una posibilidad que se está volviendo real. Con prótesis experimentales que son posibles integrar con los músculos, los huesos y el sistema nervioso, incluso la idea de "perder una extremidad" puede volverse obsoleta en el futuro.
"Este es un momento muy excitante para la investigación de prótesis avanzadas", opina John Bigelow, que trabaja en brazos robóticos controlados por el cerebro en la Universidad Johns Hopkins, Estados Unidos.
Bigelow explica que hay muchas razones para esta expansión de la biónica. Componentes más pequeños y mejores permiten poner más equipos en las prótesis que nunca antes. Además, hay cada vez más amputados en los Estados Unidos a causa del aumento de la diabetes, así como soldados heridos en el Oriente Medio. Estos factores fomentan la inversión en tecnologías biónicas.
Los primeros resultados de este boom están llegando al mercado comercial. Por alrededor de US$ 30.000 una persona que perdió una pierna puede obtener una prótesis como la de McNaughton, con software inteligente que "aprende" la manera de andar de cada usuario y puede adaptarse a diferentes terrenos.
Algunos ejemplos son la C-Leg, de la compañía ortopédica alemana Otto Block, y la Rheo Knee, de la compañía islandesa Össur. Estas utilizan una combinación de motores y elementos hidráulicos que hacen que acarrearlas sea menos cansador, además de fibras carbónicas que emulan las propiedades elásticas de los huesos y de los tendones.
Los pies protésicos siempre fueron difíciles de diseñar. Los músculos naturales y los tobillos ajustan en todo momento la fuerza, y la elasticidad de nuestros tendones nos permite caminar utilizando relativamente poca energía. Los amputados de las extremidades inferiores tienden a "caminar más lento, usar más energía metabólica y ser menos estables, incluso en suelos planos", explica Hugh Herr, del Instituto de Tecnología de Massachusetts y doble amputado de sus extremidades inferiores.
Para solucionar este problema, el grupo de Herr diseñó una prótesis de pie, el iWalk PowerFoot One, que utiliza un motor eléctrico y resortes para reemplazar los tendones, junto con seis sensores que miden la posición del tobillo y las fuerzas a las que está sometido.
Brazos biónicos
Las prótesis de brazos y manos, por su parte, están menos desarrolladas. Esto se debe a que este tipo de amputaciones son menos frecuentes que las de las extremidades inferiores, pero también a que son más pequeñas y deben tener un rango mayor de movimiento, lo que dificulta lograr una buena imitación de un brazo verdadero. Sin embargo, la aparición de componentes cada vez más chicos está cambiando esta realidad.
El más pequeño y poderoso es el i-Limb, de la compañía Touch Bionics. Es una mano de plástico de bajo peso, en la que cada dígito contiene su propio motor y puede moverse de manera independiente en respuesta a señales de dos sensores que se emplazan en la piel del usuario. Estos detectan los impulsos eléctricos que causan la contracción de los músculos. Los usuarios mueven la mano tensando ciertos músculos de forma particular siguiendo patrones preprogramados.
También se están desarrollando brazos biónicos completos. El Brazo Luke fue desarrollado por el creador del transportador Segway, Dean Kamen. Es financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (Darpa, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos: al buscar una solución al aumento de veteranos de guerra que vuelven de Irak y Afganistán, que han perdido extremidades, Darpa invirtió casi 50 millones de dólares en investigación para crear brazos biónicos controlados con el pensamiento.
El Brazo Luke, inspirado por la mano biónica de Luke Skywalker, de la Guerra de las Galaxias, permite dar la mano, abrir una puerta con una llave y realizar movimientos tan delicados, como tomar un grano de café. Sin tener en cuenta lo avanzados que son estos aparatos, todavía hay grandes problemas para superar y crear la prótesis perfecta: la posibilidad de unirla directamente con los huesos y nervios para que se conviertan en extensiones del cuerpo, de metal y plástico.
También sería importante lograr piel artificial sensible y de apariencia realista. Las mejores existentes en este momento son sorprendentemente parecidas a la verdadera, e incluyen poros simulados y pelo, pero no proveen datos táctiles.
Esta piel sintética está hecha de un polímero compuesto gomoso, que es resistente, liviano y flexible. Dentro hay una fila de nanotubos carbónicos que le otorgan propiedades piezorresistentes; es decir, que la presión ejercida sobre el material cambia su resistencia eléctrica.
Al medir este cambio, la piel puede percibir diferentes presiones y tipos de contacto, y diferenciar una caricia de un golpe. Esto está todavía muy lejos de la sutil sensibilidad de la piel humana, advierte el investigador Cheol Park, pero "incluso la posibilidad de advertir el más simple tacto, junto con la de sentir temperaturas sería una revolución sensorial para la mayoría de los amputados".
Otra manera de lograr que las prótesis sean más realistas sería la de conectarlas permanentemente al cuerpo. Esto evitaría un número de problemas: cavidades que se vuelven sudorosas e irritadas, que causan pérdida de control y poder. En vez de ajustar las tiras, se preguntan algunos investigadores, por qué no conectar la extremidad directamente al esqueleto.
Para lograrlo, un grupo de especialistas dirigidos por Rickard Brånemark, del Hospital-Escuela Universitario Sahlgrenska, de Gotemburgo, Suecia, está utilizando técnicas desarrolladas originalmente para implantes dentales. Introducen extensiones de titanio dentro del hueso del brazo o la pierna, lo dejan sobresalir unos dos centímetros y le conectan la prótesis.
El siguiente paso para crear miembros artificiales como verdaderas extensiones del cuerpo es conectarlos directamente al sistema nervioso. Esto significaría interceptar las señales cerebrales, decodificarlas en tiempo real y enviarlas a la prótesis.
El grupo de Bigelow está tratando de lograr esto con su nuevo brazo robótico, el Proto 2. Es liviano y poderoso, con "huesos" hechos de fibras carbónicas y una aleación de alta resistencia, y posee casi la misma destreza que uno normal: contiene 25 motores y microprocesadores que pueden realizar la mayoría de los movimientos de un brazo natural y casi en el mismo tiempo. Señales de movimiento
También están desarrollando sensores mioeléctricos del tamaño de un grano de arroz para implantar en los músculos cercanos a la prótesis. Cuando éstos se contraen, los sensores transmitirían señales para indicarle al brazo que se mueva.
Además, están experimentando con formas más intuitivas de controlar las prótesis, incluida una técnica llamada "reinervación muscular". La técnica transfiere los nervios residuales del miembro del cual se ha amputado una parte a los músculos del pecho. Estos nervios tuvieron en algún momento el trabajo de mover el brazo, así que cuando el cerebro ordena este movimiento, harán que los músculos del tórax se contraigan de manera específica.
Ya que estos músculos son relativamente grandes, su contracción crea señales eléctricas legibles que pueden ser enviadas a la prótesis para que se mueva.
En general, los amputados quieren sentir y controlar el miembro artificial con una conexión directa con la actividad cerebral. Experimentos del equipo de Nitish Thakor, de la Universidad Johns Hopkins, muestran que esto es, en teoría, posible.
En sus experimentos, los voluntarios operaban una mano mecánica simplemente concentrándose, mientras usaban una gorra equipada con electrodos que interpretaban parte de la actividad eléctrica del cerebro. Este sistema está limitado en cuanto al tiempo de respuesta y el rango de movimiento que se puede lograr, explica Thakor, pero podría ser utilizado, en el futuro, en combinación con otros métodos, como implantar electrodos directamente en el cerebro.
Las prótesis de brazos y manos, por su parte, están menos desarrolladas. Esto se debe a que este tipo de amputaciones son menos frecuentes que las de las extremidades inferiores, pero también a que son más pequeñas y deben tener un rango mayor de movimiento, lo que dificulta lograr una buena imitación de un brazo verdadero. Sin embargo, la aparición de componentes cada vez más chicos está cambiando esta realidad.
El más pequeño y poderoso es el i-Limb, de la compañía Touch Bionics. Es una mano de plástico de bajo peso, en la que cada dígito contiene su propio motor y puede moverse de manera independiente en respuesta a señales de dos sensores que se emplazan en la piel del usuario. Estos detectan los impulsos eléctricos que causan la contracción de los músculos. Los usuarios mueven la mano tensando ciertos músculos de forma particular siguiendo patrones preprogramados.
También se están desarrollando brazos biónicos completos. El Brazo Luke fue desarrollado por el creador del transportador Segway, Dean Kamen. Es financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (Darpa, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos: al buscar una solución al aumento de veteranos de guerra que vuelven de Irak y Afganistán, que han perdido extremidades, Darpa invirtió casi 50 millones de dólares en investigación para crear brazos biónicos controlados con el pensamiento.
El Brazo Luke, inspirado por la mano biónica de Luke Skywalker, de la Guerra de las Galaxias, permite dar la mano, abrir una puerta con una llave y realizar movimientos tan delicados, como tomar un grano de café. Sin tener en cuenta lo avanzados que son estos aparatos, todavía hay grandes problemas para superar y crear la prótesis perfecta: la posibilidad de unirla directamente con los huesos y nervios para que se conviertan en extensiones del cuerpo, de metal y plástico.
También sería importante lograr piel artificial sensible y de apariencia realista. Las mejores existentes en este momento son sorprendentemente parecidas a la verdadera, e incluyen poros simulados y pelo, pero no proveen datos táctiles.
Esta piel sintética está hecha de un polímero compuesto gomoso, que es resistente, liviano y flexible. Dentro hay una fila de nanotubos carbónicos que le otorgan propiedades piezorresistentes; es decir, que la presión ejercida sobre el material cambia su resistencia eléctrica.
Al medir este cambio, la piel puede percibir diferentes presiones y tipos de contacto, y diferenciar una caricia de un golpe. Esto está todavía muy lejos de la sutil sensibilidad de la piel humana, advierte el investigador Cheol Park, pero "incluso la posibilidad de advertir el más simple tacto, junto con la de sentir temperaturas sería una revolución sensorial para la mayoría de los amputados".
Otra manera de lograr que las prótesis sean más realistas sería la de conectarlas permanentemente al cuerpo. Esto evitaría un número de problemas: cavidades que se vuelven sudorosas e irritadas, que causan pérdida de control y poder. En vez de ajustar las tiras, se preguntan algunos investigadores, por qué no conectar la extremidad directamente al esqueleto.
Para lograrlo, un grupo de especialistas dirigidos por Rickard Brånemark, del Hospital-Escuela Universitario Sahlgrenska, de Gotemburgo, Suecia, está utilizando técnicas desarrolladas originalmente para implantes dentales. Introducen extensiones de titanio dentro del hueso del brazo o la pierna, lo dejan sobresalir unos dos centímetros y le conectan la prótesis.
El siguiente paso para crear miembros artificiales como verdaderas extensiones del cuerpo es conectarlos directamente al sistema nervioso. Esto significaría interceptar las señales cerebrales, decodificarlas en tiempo real y enviarlas a la prótesis.
El grupo de Bigelow está tratando de lograr esto con su nuevo brazo robótico, el Proto 2. Es liviano y poderoso, con "huesos" hechos de fibras carbónicas y una aleación de alta resistencia, y posee casi la misma destreza que uno normal: contiene 25 motores y microprocesadores que pueden realizar la mayoría de los movimientos de un brazo natural y casi en el mismo tiempo. Señales de movimiento
También están desarrollando sensores mioeléctricos del tamaño de un grano de arroz para implantar en los músculos cercanos a la prótesis. Cuando éstos se contraen, los sensores transmitirían señales para indicarle al brazo que se mueva.
Además, están experimentando con formas más intuitivas de controlar las prótesis, incluida una técnica llamada "reinervación muscular". La técnica transfiere los nervios residuales del miembro del cual se ha amputado una parte a los músculos del pecho. Estos nervios tuvieron en algún momento el trabajo de mover el brazo, así que cuando el cerebro ordena este movimiento, harán que los músculos del tórax se contraigan de manera específica.
Ya que estos músculos son relativamente grandes, su contracción crea señales eléctricas legibles que pueden ser enviadas a la prótesis para que se mueva.
En general, los amputados quieren sentir y controlar el miembro artificial con una conexión directa con la actividad cerebral. Experimentos del equipo de Nitish Thakor, de la Universidad Johns Hopkins, muestran que esto es, en teoría, posible.
En sus experimentos, los voluntarios operaban una mano mecánica simplemente concentrándose, mientras usaban una gorra equipada con electrodos que interpretaban parte de la actividad eléctrica del cerebro. Este sistema está limitado en cuanto al tiempo de respuesta y el rango de movimiento que se puede lograr, explica Thakor, pero podría ser utilizado, en el futuro, en combinación con otros métodos, como implantar electrodos directamente en el cerebro.
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