Smart ArM: ampliando los límites del cuerpo humano

Con vistas al Cybathlon 2020, una competición internacional única para competidores con discapacidad que utilizan tecnologías de asistencia biónicas, un equipo de investigadores franceses del Instituto de Sistemas Inteligentes y Robótica (ISIR) de París ha desarrollado el «Smart ArM», una prótesis de brazo diseñada para amputaciones transhumerales, es decir, por encima del codo. Esta prótesis es el resultado de varios años de investigación y su diseño supuso un auténtico desafío: crear un codo protésico. Este artículo aborda este hito tecnológico y la aventura que supuso para los investigadores.

A causa de la pandemia de COVID-19, el Cybathlon 2020 tendrá lugar los días 13 y 14 de noviembre de 2020, a nivel global y en un nuevo formato, con cada equipo en su base. Estos crearán la infraestructura para la competición y grabarán sus carreras. Desde Zúrich, las competiciones se retransmitirán a través de una plataforma en un programa único en vivo.

Una prótesis de brazo diseñada para amputaciones transhumerales, es decir, por encima del codo

Un proyecto ambicioso para satisfacer las necesidades de una discapacidad específica

Menos común que la amputación del antebrazo o la mano, la amputación del brazo ha recibido poca atención por parte de los investigadores. Recibe el nombre de amputación por encima del codo o agenesia total del antebrazo, lo que es una ausencia congénita. A pesar de que esta discapacidad afecta principalmente a personas jóvenes que desean disponer de una prótesis, hoy en día no existen soluciones adecuadas para todos. A raíz de esta observación, un equipo de investigadores del Instituto de Sistemas Inteligentes y Robótica (ISIR) inició un proyecto de investigación en 2014. En colaboración con el equipo AGATHE (Assistance au Geste et Applications thérapeutiques), estos investigadores han logrado resultados prometedores en las prótesis de las extremidades superiores. «Después de asistir como espectadores a la primera edición del Cybathlon en 2016, queríamos crear un equipo que impulsara nuestra visión y nuestras innovaciones», explica Nathanaël Jarrassé, investigador del ISIR y director del proyecto Smart ArM, a quien le apasiona todo lo relacionado con la optimización del cuerpo humano.

Unión hombre-máquina

Ahora había que encontrar un piloto. Después de varias búsquedas fallidas, el candidato ideal surgió de un encuentro entre un colaborador de maxon, un socio del Cybathlon y un proveedor de motores para el ISIR. Su nombre es Christophe Huchet, antiguo gerente de varios restaurantes de París que en aquel momento trabajaba como coach de directores de pequeñas y medianas empresas. Christophe nació con agenesia del antebrazo derecho y desarrolló una impresionante carrera como nadador, ganando varias medallas en competiciones para personas con discapacidad y también sin discapacidad. «Este proyecto me traslada de nuevo al deporte de competición y a la dinámica que conozco bien de mi carrera como nadador, pero esta vez al servicio de una noble causa: ayudar a otros y hacer que la tecnología y la sociedad avancen. También es importante para mí participar en este evento, que aspira a cambiar la forma en que las personas con prótesis miran a las personas con prótesis, mostrando el lado extraordinario de la unión “usuario-prótesis” e impulsando esta alianza entre el cuerpo y la tecnología que hace que la discapacidad resulte “bella” en cierto modo», explica Christophe Huchet.

El equipo Smart ArM se creó en 2018 para participar en el Cybathlon. Está formado por un piloto, un director, un equipo técnico de 11 personas del ISIR y de la ISM-Univ Aix-Marseille, así como por un equipo médico. Un proyecto de este tipo reúne campos de investigación muy diferentes, desde la mecatrónica hasta la ciencia computacional, pasando por la neurociencia y la fisiología, con el fin interconectar la prótesis con el cuerpo.

«Varios son los motivos que nos han llevado a participar en el Cybathlon, entre ellos promocionar las innovaciones tecnológicas del ISIR, que se ponen a prueba en el contexto de una dura competición. También queríamos que el público en general tomara conciencia de estas discapacidades, mostrando las posibilidades y los límites reales de las tecnologías de asistencia robóticas», explica Nathanaël Jarrassé. El proyecto Smart ArM destaca el importante papel que desempeñan las personas en la relación «humano-máquina», ya que a menudo tendemos a pensar que el éxito es una cuestión exclusivamente tecnológica.

 Un diseño con muchas dificultades

El equipo Smart ArM tuvo que superar varios obstáculos para que el piloto pudiera despegar. El más importante consistía en desarrollar un codo protésico, conocido como «exoesqueleto», que fuera compatible con la anatomía de Christophe Huchet. «A diferencia del muñón que queda de una amputación de brazo, normalmente acortado por la amputación en sí, su antebrazo tiene una longitud normal, lo que deja poco espacio para la instalación de un codo protésico endoesquelético clásico», explica Nathanaël Jarrassé. Los investigadores decidieron desplazar lateralmente el eje de actuación para colocar la articulación del codo protésico en una posición óptima.

Pero este no era el único reto que planteaba la prótesis Smart ArM: debido a que había sido diseñado para participar en el Cybathlon, el prototipo tenía que ser capaz de resistir un uso intenso y prolongado fuera del laboratorio. Por este motivo era necesario diseñar un dispositivo resistente y completamente integrado.

Requisitos muy estrictos de los motores

La elección de la motorización del prototipo era crucial y debían tenerse en cuenta varios parámetros. Los motorreductores utilizados en el prototipo estaban destinados a un uso intermitente de alta intensidad, con una transmisión mediante tornillo sin fin para la articulación del codo con baja eficiencia y alto grado de fricción seca, lo que dificultaba la puesta en movimiento. También debían tenerse en cuenta otros factores, como las altas fluctuaciones de las tensiones de alimentación, así como los impactos y las vibraciones, ya que el prototipo lo llevaría una persona que estaría todo el tiempo corriendo o caminando.

Seis meses de trabajo fueron necesarios para desarrollar el exoesqueleto de codo de la prótesis SAM. Para su funcionamiento, el equipo eligió un motor de maxon. «Un codo humano genera un par de unos 15 N/m con una velocidad superior a 150 °/s. Para reproducir estas características en una articulación pequeña con funcionamiento por batería, necesitábamos un motorreductor de diámetro reducido y alto rendimiento. La gama de motorreductores DCX-GPX de maxon nos ofrecía la solución perfecta», explica Nathanaël Jarrassé. No es la primera vez que el ISIR utiliza motores de maxon en sus prototipos robóticos, desarrollados en el contexto de diferentes proyectos de investigación. «La ventaja de los productos de maxon es que ofrecen una amplia gama de actuadores de pequeño diámetro y motores comerciales con características perfectamente definidas, lo que permite el dimensionamiento óptimo de nuestros dispositivos durante las fases preliminares del diseño», añade el jefe del proyecto Smart ArM. Los equipos de investigación de la Sorbona apreciaron de forma especial la posibilidad de crear y personalizar online el actuador. maxon también proporcionó asistencia técnica, poniendo a disposición la amplia experiencia de sus ingenieros.

El equipo Smart ArM espera que la demostración de su know-how durante el Cybathlon 2020 permita transferir estas innovaciones a productos comerciales. Estamos seguros de que este innovador enfoque de control de prótesis basado en los movimientos del cuerpo animará a los fabricantes a asociarse para ayudar a que el mayor número posible de personas se beneficien de esta innovación. «Desarrollar tecnologías para ayudar a las personas con discapacidad, superando múltiples desafíos, es realmente estimulante y enriquecedor», afirma Nathanaël Jarrassé. El equipo de Smart ArM ha trabajado durante todo del proyecto con el firme compromiso de desarrollar una herramienta útil y adecuada para las personas discapacitadas que desean la ayuda de un dispositivo, una labor muy ambiciosa en la que maxon tiene el orgullo de haber participado.

Más información en el sitio web de Smart ArM.