Colombianos desarrollan prótesis con materiales inspirados en el cuerpo humano

Para muchas personas en el mundo llevar a cabo acciones cotidianas como lavarse los dientes, peinarse, amarrarse los zapatos, mover objetos, escribir o vestirse se convierte diariamente en una “pesadilla”, debido a la falta de una o ambas de sus extremidades superiores, ante lo cual se ven en la necesidad de recurrir al uso de prótesis de mano, no obstante, factores como el peso, el costo, rigidez o su aspecto físico hacen que los usuarios no estén completamente satisfechos con este tipo de dispositivos.

Como respuesta a ello, hace ya casi cerca de tres años, profesores del programa de Ingeniería Biomédica de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito presentaron una prótesis mecánica como parte del proyecto PrExHand, orientado a la creación de exoesqueletos basados en robótica blanda, para contribuir al restablecimiento del bienestar de personas en condición de discapacidad, como consecuencia de accidentes cerebrovasculares o por amputación de sus extremidades superiores.

“Esta fue una competencia, financiada por el Reino Unido, que buscaba desarrollar prótesis basadas en materiales naturales, en la que participaron estudiantes del Reino Unido, Brasil y Colombia. Nosotros presentamos diferentes prototipos basados en bambú, con materiales que se podían encontrar en una ferretería, los cuales se probaron en India. De ahí surgió la idea de plantear un proyecto tecnológico más ambicioso para desarrollar tecnología natural que pudiera ser aprovechado en países en desarrollo por su bajo costo”, señala Carlos Cifuentes García, líder del Centro de Investigación en Biomecatrónica de la Escuela.

En ese proceso, en la institución universitaria crearon un laboratorio de ‘soft robotics’ o robótica blanda, donde pudieron probar actuadores basados en textiles, siliconas y sistemas soportados en tendones que posibilitan movimientos naturales, así lograron desarrollar esta prótesis bioinspirada, es decir, fabricada con materiales altamente flexibles, similares a los del cuerpo humano, permitiendo imitar el movimiento de una mano humana, brindando mayor flexibilidad, y una interacción más segura con el entorno.

Movimientos más naturales

Esta prótesis bioinspirada, dice el profesor Cifuentes, “es interesante porque combina distintos tipos de actuadores comandados por tendones que permiten hacer movimientos de flexoextensión; al ser tendones flexibles, es decir, que se pueden adherir y modificar según requiera una estructura que permita agarrar o interactuar físicamente. Tiene unos músculos artificiales basados en silicona que permiten hacer movimientos de abducción/ aducción, posibilitando que se generen movimientos bastante naturales, algo que no tienen actualmente las prótesis comerciales”.

La tecnología de robótica blanda en la que está sustentada la prótesis se caracteriza por la no utilización de elementos tradicionales como engranes, piñones, motores, pines y tornillos, así lo explica Orión Santiago Ramos, ingeniero mecatrónico de 25 años, investigador del Centro de Investigación de Biomecatrónica de la Escuela, e integrante del equipo del proyecto.

“Nuestra prótesis utiliza, por ejemplo, tendones en lugar de piñones; impresoras 3D que no requieren un eje fijo, que permiten que en las pruebas mecánicas no haya daño por un esfuerzo mal centrado, algo que sí sucede con la prótesis tradicional; y tendones rígidos y elásticos, junto con sistema de neumático. Una prótesis tradicional utiliza para cada dedo más de un motor, en nuestro caso, manejamos los cinco dedos de la prótesis con un solo motor, lo que además de reducir costos, también ayuda a controlarla mejor, ya que le permiten al usuario percibir la forma del objeto”, explica Ramos.

Para la realización de este prototipo se desarrollaron diversas pruebas y evaluaciones funcionales y mecánicas, con las cuales se buscaba determinar cómo reaccionaría el dispositivo ante las fuerzas de interacción con el mundo, cómo funcionaría mecánicamente, la fuerza de agarre sobre los objetos y las fuerzas de tracción en situaciones de la vida diaria.

“A finales del 2020, iniciamos pruebas funcionales de la primera versión, muy enfocadas en ver cómo la prótesis imitaba los tipos de movimientos de la mano con diferentes objetos; posteriormente, con la versión dos, con pruebas mecánicas y funcionales evaluamos, por ejemplo, cómo mejorar algunos tipos de agarre; y ya con la tercera versión, que recientemente probamos con un paciente, nos dimos cuenta de que la prótesis sí puede realizar movimientos muy similares a la mano humana, por lo que le vemos mucho futuro”, señala Laura Vanesa de Arco, integrante del equipo, estudiante de ingeniería biomédica, que en octubre próximo recibirá su título profesional, y próxima a viajar a Brasil a hacer su maestría y seguir trabajando en la prótesis.

El equipo del proyecto PrEx Hand- entre los que además están los investigadores Diego Casas, ingeniero mecánico y magíster en Ingeniería Electrónica y el ingeniero electrónico, Juan Camilo Maldonado- que empezó desarrollando un prototipo de un actuador neumático bioinspirado en el dedo índice de la mano que emulaba funcionalmente su movimiento de flexión, en otras palabras, un dedo con movimiento mecánico, es el encargado de la programación del cerebro de la prótesis, a partir de la primera versión, que ha incluido desde el control de los dedos hasta los movimientos naturales similares a la mano humana.

Hoy se puede decir que, luego de crear dos prototipos con elastómeros y textiles, hacer pruebas para evaluar el desempeño y las propiedades mecánicas del dedo índice, comparar los resultados frente al movimiento y la capacidad de fuerza en cada actuador, determinar que el prototipo elaborado con elastómeros tenía las características adecuadas para aplicarlas, tanto en una prótesis como en una órtesis de mano, se ha allanado el camino para la creación de esta prótesis de asistencia, mucho más segura e integral, fácil de usar, de bajo costo y compatible con las funciones y movimientos de las manos.

Probando, probando

Recientemente, y con el apoyo en el área académica de la University College London, y en la parte industrial de la empresa Prótesis Avanzadas SAS, de Medellín, la prótesis de mano PrExHand, fue probada por Luis Antonio Moncada Velásquez, un topógrafo antioqueño, de 48 años, que hace tres años perdió su mano derecha al recibir una descarga eléctrica mientras cumplía con labores propias de su profesión.

Entre las pruebas a realizar, para las que Luis Antonio dispuso de una hora y media, se encontraban tareas y subtareas como coger la crema, untarla en el cepillo y lavarse los dientes; ponerse una camiseta y desapuntarla; ponerse las medias o los zapatos; beber una taza de agua, utilizar los cubiertos, servir una bebida; usar las tijeras, abrir una chapa, agarrar una canasta de ropa sucia, marcar un celular, usar un martillo, doblar una toalla de baño, revolver comida en un recipiente, algunas de las cuales no le resultaron tan difíciles.

“Con el accidente, mi vida cambió mucho porque me tocó abandonar muchas de las cosas que normalmente hacía: estudiar, trabajar, mis ‘hobbies’, pero también mejoró mi vida en el ámbito familiar, me enseñó a ver la vida de otro color, a ser mejor persona y a valorar el amor de mi familia, de forma tal que la pérdida no ha sido tan brusca, y me siento, de otro modo, completo”, comenta Luis Antonio.

Para él, después de ocho meses de haber sufrido el accidente y de dejar atrás el sueño de montar su propia empresa de topografía, este prototipo de prótesis elaborada en impresión 3D con movimiento robótico de apertura y cierre, con diferentes funciones programables, aunque lenta en sus movimientos de apertura y cierre de la mano, le brinda la oportunidad de realizar otro tipo de actividades, al tiempo que le permite desarrollar funciones distintas.

“Tener una prótesis te sube la autoestima, te hace sentir más completo, te hace olvidar ese faltante. Nadie sabe lo importante que es sostener un celular, tomar un líquido, empacar un mercado, hasta que no puede hacerlo”, apunta el paciente.

La razón de ser de este desarrollo, dice el profesor Cifuentes, “es que será una prótesis de bajo costo, fácil de usar y hasta de reparar. Muchos colombianos y, en general, pacientes de países en desarrollo que han perdido alguna de sus manos, no tienen la posibilidad de tener una prótesis bioinspirada”.

En el mercado, añade el ingeniero Ramos, las prótesis son muy costosas por toda la tecnología y desarrollo que conlleva realizarla, de ahí que una de las metas para cuando el producto salga al mercado es que sea de bajo costo.

En el caso de Luis Antonio, él espera que esta nueva prótesis le dé más libertad de movimiento, sea más funcional y le permita realizar acciones menos robóticas y más naturales.

Luego de estas pruebas, el equipo espera completar el proceso con las publicaciones científicas en revistas de alto impacto, y trabajar con Prótesis Avanzadas de Antioquia en el desarrollo comercial de la mano robótica.