Destapar una botella de agua, tomar una lapicera de la mesa o tan sólo pellizcar la uva de un racimo parecen acciones sencillas, que cualquiera podría ejecutarlas inconscientemente. Pero para quien padece la ausencia de uno de sus miembros superiores, por amputación o malformación congénita, no poder interactuar con el mundo que lo rodea de la misma manera podría ser un trauma doloroso. Sin embargo, en la Universidad Nacional de Río Cuarto, hay quienes se impusieron el deber de imaginar sus mentes y mejorarles la calidad de vida. Un grupo de investigadores y alumnos avanzados de la Facultad de Ingeniería desarrolló una tecnología que permite que una mano artificial pueda obedecer las señales nerviosas del cerebro de una persona que ha perdido esa extremidad.

Cuenta con sensores capaces de leer e interpretar, a través de una minicomputadora alojada en su interior, los impulsos eléctricos que el sistema nervioso envía a los músculos del antebrazo amputado. Está fabricada con una impresora 3D y, hasta ahora, no hay en el mercado una prótesis de este tipo de origen nacional.

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El dispositivo tiene una interfaz bidireccional. Por un lado, capta, interpreta y ejecuta las órdenes del sistema nervioso, pero también envía señales en la dirección opuesta, desde la prótesis al cerebro, intentando emular el sentido del tacto.

Los ingenieros universitarios ya realizaron las primeras pruebas con voluntarios y los resultados fueron “alentadores”, según comentaron. Los ensayos proporcionaron una valiosa información que permitió ajustar el diseño computacional y mecánico.

La mano artificial cuenta con sensores en todos los dedos y en cada una de las articulaciones, de manera tal que, cuando toma contacto con un objeto, se produce una vibración en el antebrazo similar a la de un teléfono celular. Con esa información, la persona puede regular la fuerza que debe aplicar para sostenerlo o levantarlo sin que se caiga ni se rompa por la falta o exceso de la presión que ejerce.

La prótesis es capaz de realizar tres tipos de agarre: Uno de fuerza o circular, para asir un vaso o el mango de una herramienta. Otro lateral, para agarrar una tarjeta o una llave, por ejemplo. Y un tercero de más precisión, similar al movimiento de una pinza, que permite tomar objetos más pequeños con los dedos índice y pulgar.

Una de sus ventajas es que no emplea ningún mecanismo invasivo para el cuerpo humano. La sujeción al antebrazo se realiza por medio de un encastre en forma de cono, que tiene electrodos dispuestos estratégicamente para captar los impulsos eléctricos de los músculos a nivel superficial, es decir, sólo al contacto con la piel.

Reconstruir la autoestima

El proyecto no apunta sólo a recuperar una función motora. Es más que eso. Es reconstruir la interrelación de la persona con su mundo. Es devolverle la autoestima y sus capacidades corporales, mejorar su desempeño laboral y liberarle de los estigmas del denominado síndrome del “miembro fantasma” que sufren los amputados, es decir, de esa frustrante percepción psicológica de que la extremidad todavía sigue unida a su cuerpo y que está funcionando como solía ser.

Sin embargo, el desafío de los investigadores es aún mayor. Lograr que esta tecnología tenga un costo accesible para los sectores más populares. Ocurre que las prótesis más económicas que se encuentran en el mercado tienen muy escasa funcionalidad. En el otro extremo, existen dispositivos importados de gran desarrollo y con mejores prestaciones, pero cuyo valor en moneda extranjera espanta, ya que no baja de los 20 mil o 25 mil dólares.

Esta compleja realidad es la que motivó el trabajo de los investigadores, que se plantearon diseñar una mano artificial de bajo costo, pero con la mejor funcionalidad posible, y estiman que su valor al día de hoy no debería superar los 20 mil pesos.

El doctor Juan Fontana es quien coordina este equipo de trabajo, que además integran el doctor Ronald O’Brien, los alumnos avanzados Gonzalo Oviedo, Martín Pronotti y Mariano Sosa, y que, a su vez, forman parte del Grupo de Acústica y Vibraciones de la Facultad de Ingeniería, que dirige el doctor Leonardo Molisani.

Fontana también forma parte del Laboratorio de Metrología, dependiente del Departamento de Mecánica de esa unidad académica.

Se graduó de ingeniero electrónico en la Universidad Nacional de Córdoba. Realizó un doctorado en Ingeniería Biomédica en Luisiana, Estados Unidos. Hace seis años retornó al país con una beca posdoctoral de CONICET para trabajar en la Universidad Nacional de Río Cuarto, donde actualmente es Investigador Asistente de ese organismo científico y docente en la carrera de Ingeniería Mecánica.

Fuerza y delicadeza

La complejidad estructural de la mano humana permite que se reúnan en un mismo órgano funciones muy dispares que abarcan, desde acciones motoras que requieren de una gran fuerza, hasta aquellas que demandan mucha delicadeza. Así como puede sostener firmemente el mango de un pico o una pala, es capaz de enhebrar suavemente un hilo en el ojo de una aguja.

Si bien la tecnología jamás podrá igualar esas destrezas, la prótesis que diseñaron los investigadores universitarios busca reemplazar buena parte de la función motora de aquellas personas que han perdido una mano, ya sea por accidente o por alguna malformación congénita.

Fontana comentó: “La idea es que estas personas puedan manipular objetos y desempeñarse con normalidad en su vida diaria. Pero, además de esta función motora, el objetivo es devolverles a las personas la función sensorial; es decir, el sentido del tacto”.

Explicó: “Cuando uno sufre la amputación de una mano pierde dos vías de información. Una es la motora, o sea aquella por la cual el cerebro le ordena a la mano qué debe hacer y cómo hacerlo, qué objeto agarrar y con qué fuerza. La persona lo hace inconscientemente, pero nosotros no podemos ignorarla. La otra, es la que se obtiene a través del tacto y le proporciona al sistema nervioso todo tipo de datos sobre el medio que nos rodea”.

Con los sensores, la prótesis interpreta los estímulos nerviosos que el cerebro envía a través de los músculos que quedaron remanentes en el antebrazo o el muñón. Dicho de otra manera, se produce una contracción que la mano ortopédica logra captar por medio de electrodos simples.

La mano artificial tiene su propia computadora, que procesa la información que recibe de los impulsos nerviosos del antebrazo, la interpreta y la transforma en una orden que activa los motores de la prótesis. Todo es parte de un proceso que se resuelve en cuestión de décimas de segundo.

Es un conjunto de complejos mecanismos estudiados y diseñados al más mínimo detalle, para que pueda alcanzar el mayor rango de movimiento y sensibilidad posible. Cada orden debe ser ejecutada en no más de medio segundo. Dijo Fontana: “La persona no debe experimentar sensaciones de retardo en el accionamiento de la prótesis, porque eso la perturbaría al punto de no resultarle funcional y la dejaría de usar”.

Una buena noticia para los pacientes es que este dispositivo no es invasivo en lo absoluto, lo cual descarta cualquier posibilidad de rechazo por parte del organismo. Sólo tiene un encastre, con la forma de un cono, que se conecta al muñón. Allí se encuentran electrodos dispuestos para captar los impulsos eléctricos de los músculos a nivel superficial, a partir del contacto con la piel, señaló el director del proyecto.

Sin embargo, advirtió el especialista: “La mano humana es sumamente compleja. Es capaz de ejecutar un sinnúmero de funciones, algunas con altísima precisión y delicadeza, y otras que demandan mucha fuerza. El rango de destrezas es muy grande y casi imposible de replicar. Por eso, lo que hacemos en nuestro laboratorio es simplificar esos procesos, para que la prótesis no sea tan elemental, pero que tampoco tenga una complejidad tecnológica tal que eleve sus costos a niveles imposibles de afrontar. En otros países se consiguen prótesis de alta tecnología, pero a valores que oscilan entre 20 mil y 25 mil dólares. Nuestro proyecto apunta al desarrollo de una prótesis de bajo costo, es decir que no supere los 20 mil pesos, pero que les permita a las personas llevar adelante su vida diaria con cierta comodidad. Por ejemplo, que la persona pueda tomar objetos de diferentes formas y tamaños con precisión”.

En el laboratorio del Grupo de Acústica y Vibraciones se encuentra una impresora 3D que se encarga de esculpir en material plástico las delicadas piezas de la mano robótica, previamente diseñadas en computadora.

Indicó Fontana: “Nosotros diseñamos cada una de las partes de la mano y después las imprimimos aquí mismo en nuestro laboratorio. Esto nos permite, a la vez, probar las diferentes piezas y mecanismos, corregir errores, rediseñarlos en la computadora y volver a imprimirlos para mejorar su funcionamiento”.

Un producto nacional y accesible

Fontana destacó: “Hasta ahora, no hay en el mercado prótesis de este tipo de origen nacional”, aunque en otras universidades del país hay investigaciones basadas en ideas parecidas.

El especialista precisó que ya se hicieron las primeras pruebas con voluntarios no amputados y, en particular, con una persona con una amputación a nivel del antebrazo. Destacó: “Obtuvimos resultados alentadores y valiosa información que nos permitió ajustar el diseño computacional y mecánico. Básicamente, se probaron los algoritmos que le permiten a la computadora reconocer las señales eléctricas que el cerebro envía al músculo y que después activan el funcionamiento de la mano”.

Precisó: “Estas pruebas nos permitieron ajustar la precisión de la prótesis, pero también pudimos hacer mediciones de fuerza en los dedos, para que el cerebro pueda entender qué está haciendo la mano y en qué posición se encuentra. De alguna manera, buscamos devolverle artificialmente al cerebro las sensaciones del tacto a partir de vibraciones que producen pequeños motores, como los que tienen los teléfonos celulares. Estas vibraciones le informan al cerebro que la mano hizo contacto con el objeto, una percepción que no poseen todas las prótesis que hay en el mercado. Para ello, la mano cuenta con sensores en todos los dedos y en cada una de las articulaciones. Cuando la mano toca un objeto, comienza a vibrar y a partir de allí la persona podrá regular cuánta fuerza debe aplicar para sostenerlo o levantarlo sin que se caiga o se rompa. La fuerza que aplique la mano dependerá de la contracción que haga el músculo, que -como dijimos- es captada a través de los sensores del encastre”.

Entrenamiento virtual

El uso de la prótesis requiere de la práctica y la adaptación de quien la usa. Por eso, este grupo de investigadores universitarios está desarrollando, simultáneamente, un dispositivo de entrenamiento virtual muy parecido a un videojuego, aunque en este caso el proyecto todavía se encuentra en una etapa incipiente.

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Una mano ortopédica, como sea, siempre será un dispositivo más o menos extraño para la persona que la necesita. Esos videojuegos motivan a los pacientes a realizar una serie de ejercicios y movimientos que los irán familiarizando con lo que después será el uso práctico de la prótesis. Se trata, en definitiva, del diseño de un sistema que permitirá trabajar el movimiento y el entrenamiento cognitivo.