El tobillo biónico 'emula la naturaleza'

En estos días, Hugh Herr, profesor asociado de artes y ciencias de los medios en el MIT, recibe diariamente alrededor de 100 correos electrónicos de personas de todo el mundo interesadas en sus extremidades biónicas.

Los mensajes llegan de personas amputadas que buscan prótesis y de medios de comunicación que buscan entrevistas. Luego están los estudiantes que buscan unirse al grupo de investigación de Herr. La tecnología inspira a los jóvenes a entrar en el campo, lo cual es maravilloso, dice Herr.

Es una marca del trabajo pionero que Herr ha realizado en el MIT Media Lab durante las últimas dos décadas. Herr, que es él mismo amputado, ha estado diseñando (y usando) prótesis de pierna biónicas que, dice, emulan la naturaleza, imitando las funciones y el poder de las rodillas, los tobillos y las pantorrillas biológicos.

El mes pasado, la charla TED de Herr fue noticia, ya que Adrianne Haslet-Davis, una bailarina profesional cuya pierna fue parcialmente amputada después de los atentados del Maratón de Boston de 2013, usó una de sus prótesis para hacer rumba en el escenario.

Foto: Bryce Vickmark

La mayoría de estas prótesis han llegado al mundo a través de la startup de Herr, BiOM (originalmente llamada iWalk). Desde 2010, la compañía ha llevado el primer sistema biónico para el pie y la pantorrilla del mundo a más de 900 pacientes en todo el mundo, incluidos unos 400 veteranos de guerra.

Siempre es bueno diseñar algo que la gente usará. Es genial hacer ciencia, sí, pero también es genial ver a la humanidad usando algo que uno ha inventado, dice Herr, y agrega: Traducir tecnología fuera del laboratorio mantiene a los ingenieros honestos.

Inicialmente desarrollada por el grupo de investigación de Herr, la prótesis de BiOM, denominada BiOM T2 System, simula un tobillo biológico (y el músculo de la pantorrilla conectado), proporcionando una función natural del tobillo durante las zancadas.

Usando propulsión biónica a batería, dos microprocesadores y seis sensores ambientales ajustan la rigidez del tobillo, la potencia, la posición y la amortiguación miles de veces por segundo, en dos posiciones principales: Primero, en el golpe del talón, el sistema controla la rigidez del tobillo para absorber el impacto y Empuje la tibia hacia adelante. Luego, los algoritmos generan energía fluctuante, según el terreno, para impulsar al usuario hacia arriba y hacia adelante.

Al colocar la prótesis a los pacientes, los protésicos pueden programar la rigidez y la potencia adecuadas a lo largo de todas las etapas de la marcha, utilizando un software creado por el grupo de Herr, un proceso que la compañía llama Personal Bionic Tuning.

Entre otras cosas, el sistema restaura la marcha, el equilibrio y la velocidad naturales; reduce el estrés articular; y reduce drásticamente el tiempo necesario para aclimatarse a la prótesis (que puede llevar semanas o meses con los modelos convencionales). A menudo, en cuestión de minutos, un paciente está caminando, incluso corriendo, dice Herr, director de tecnología de BiOM.

El sistema, dice Herr, también podría ayudar a prevenir la osteoartritis, una afección de las articulaciones causada por la edad y la tensión en las piernas, al proporcionar fuerza y ​​apoyo a la pantorrilla y el tobillo incluso en la vejez.

Pasar del banco al lado de la cama

A lo largo de la década de 1990 y principios de la de 2000, Herr, quien perdió ambas piernas después de un accidente de escalada en 1982, comenzó a investigar las deficiencias de las prótesis convencionales y a modelar matemáticamente cómo funciona la articulación del tobillo al caminar.

Entre otras cosas, el tobillo se endurece y proporciona propulsión (en la pierna de arrastre) durante la zancada, lo que mitiga el impacto en la pierna delantera y reduce la tensión en las articulaciones de las piernas y la espalda. Cuando los amputados usan prótesis convencionales, que se basan en resortes o sistemas hidráulicos y no liberan más energía de la que absorben, caminan más lentamente, consumen más energía metabólica y experimentan un mayor estrés musculoesquelético, lo que causa la osteoartritis articular.

La investigación científica y de ingeniería que finalmente condujo a la prótesis BiOM actual fue realizada por el grupo de investigación de Herr dentro del MIT Media Lab. Desde 2003, el grupo ha diseñado y fabricado muchos prototipos de prótesis para probar hipótesis sobre la interacción hombre-máquina. Varios de estos (diseños de prototipos con partes mecánicas expuestas y cables en bucle) se encuentran en exhibición permanente en el MIT Media Lab.

Aún hoy, Herr puede recordar haber entrado en el primer prototipo de pierna biónica del grupo, y luego volver a una prótesis tradicional, por primera vez.

Fue tan profundo como cuando estás caminando por el aeropuerto y golpeas la pasarela móvil. Cuando te bajas y vuelves a caminar normalmente, piensas: 'Caminar es muy lento y agotador', dice. Así fue como fue pasar de nuestro sistema motorizado a sistemas pasivos convencionales. Entonces supe que clínicamente había magia allí.

La experiencia de Herr en la comercialización de una articulación de rodilla controlada por computadora, diseñada por su grupo para la empresa islandesa Ossur, lo inspiró a lanzar iWalk en 2006. La rodilla, ahora utilizada por miles de pacientes en todo el mundo, utiliza partículas de hierro suspendidas en aceite entre placas de acero y manipuladas. por un campo electromagnético para endurecerse o relajarse durante la marcha del usuario.

Con Ossur hubo una transferencia de tecnología considerable y que consumió mucho tiempo, pero el lanzamiento de una startup del MIT aseguró, entre otras cosas, que un grupo central de inventores permanecería para innovar y comercializar el producto.

Siempre estoy pensando en minimizar el tiempo y la inversión para pasar del banco a la cama, dice Herr. Crear una empresa es una forma de mejorar esa eficiencia. Y es ideal para la pasión: los inventores simplemente se preocupan mucho por sus inventos, y esa pasión y compromiso impulsan el progreso comercial.

El sistema BiOM actual se ha sometido a más de 20 iteraciones, financiadas con aproximadamente 50 millones de dólares de capital de riesgo y subvenciones, y la empresa sigue diseñando e innovando. El BiOM Ankle System no solo está mejorando mes a mes, año tras año, sino que la compañía también planea lanzar productos biónicos adicionales al espacio para brindar asistencia a un mayor número de personas, dice Herr.

Artrosis, diseño humanoide y biónica personal

El objetivo más amplio de BiOM es prevenir afecciones costosas como la osteoartritis. A medida que envejecemos, la pérdida de fibras musculares rápidas y la fuerza excesiva hacen que los músculos del tobillo y la pantorrilla pierdan fuerza, lo que genera trastornos articulares dolorosos, como la osteoartritis de rodilla y el dolor lumbar, causado en parte por andares torpes y cojos. En la población anciana, la osteoartritis articular es una de las principales causas de problemas de movilidad.

Al menos entre los amputados, dice Herr, BiOM podría ayudar al adaptar a las poblaciones de ancianos prótesis de pierna iguales en agilidad biomecánica y control a las piernas de un adulto joven: nos encontramos en una posición en la que podemos poner los músculos de la pantorrilla de 18 años en pacientes independientes de su edad, mitigando el problema de la osteoartritis articular en todas las poblaciones, dice Herr.

Al hacer avanzar las prótesis, dice Herr, la tecnología también podría conducir a la innovación en un campo estrechamente relacionado: la robótica humanoide. Imagine un futuro en el que tendremos pies, tobillos, rodillas y caderas biónicos que sean tecnológicamente óptimos. Uno podría simplemente atornillar estas piezas para producir una plataforma de hardware humanoide, dice Herr.

Pero, en última instancia, el trabajo de BiOM y del grupo de Herr en el MIT, dice, tiene como objetivo ayudar a revolucionar la idea de la biónica personal, difuminando las líneas entre la electromecánica y el cuerpo humano. Por ejemplo, su grupo del MIT está trabajando, entre otras cosas, en miembros biónicos que pueden ser controlados por la mente y adheridos al cuerpo.

A medida que nos adentramos en este siglo, la tecnología se volverá más íntima con nuestros cuerpos, dice Herr. El enfoque del diseño biónico se basa en la ciencia biológica que busca comprender fundamentalmente cómo funcionan nuestros cuerpos y cerebros, y traduce ese conocimiento en tecnología que refleja esos principios, lo que lleva a un mundo donde la tecnología, por ser tan innatamente humana, esencialmente se desvanece.

esconder