Smart ArM: desafiar os limites do corpo humano

Tendo em vista a Cybathlon 2020, um concurso internacional único para concorrentes portadores de deficiência que utilizam tecnologias de assistência biónica, uma equipa de investigadores franceses do Instituto de Sistemas Inteligentes e Robótica (ISIR), em Paris, desenvolveu o “Smart ArM”. Uma prótese de braço concebida para pessoas com amputações transumerais, ou seja, amputações acima do cotovelo. O resultado de vários anos de investigação — o design desta prótese — representou um verdadeiro desafio, pois implicava a criação de um cotovelo protético. Este artigo revisita a proeza tecnológica e a aventura humana.

Devido à pandemia da Covid-19, a Cybathlon 2020 irá decorrer entre os dias 13 e 14 de novembro de 2020 — a nível global e num novo formato, nas respetivas bases das equipas. As equipas irão montar as suas infraestruturas para a competição e filmar as suas corridas. A partir de Zurique, as competições serão transmitidas em direto através de uma nova plataforma, num programa exclusivo.

Uma prótese de braço concebida para pessoas com amputações transumerais, ou seja, amputações acima do cotovelo

Um projeto ambicioso, que visa ir ao encontro das necessidades específicas de uma doença específica

Menos comum do que a amputação do antebraço ou da mão, a amputação do braço permaneceu relativamente pouco estudada na investigação, durante muito tempo. É referida como amputação acima do cotovelo ou agenesia total do antebraço, que é a ausência do mesmo desde o nascimento. Embora esta deficiência afete principalmente os jovens que desejam receber uma prótese, existem atualmente poucas ou nenhumas soluções protéticas adequadas disponíveis. Deparada com esta observação, uma equipa de investigadores do Instituto de Sistemas Inteligentes e Robótica (ISIR) lançou um projeto de investigação em 2014. Agrupados dentro da equipa AGATHE (Assistance au Geste et Applications thérapeutiques), estes investigadores alcançaram resultados promissores em próteses de membros superiores. “Depois de assistir à primeira edição da Cybathlon, em 2016, enquanto espetadores, quisemos formar uma equipa para promover a nossa visão e as nossas inovações”, explica Nathanaël Jarrassé, Investigador e Gestor do projeto Smart ArM do ISIR, e um apaixonado pela otimização do corpo humano.

União homem/máquina

Agora, tinham de encontrar um piloto. Após várias pesquisas sem sucesso, o candidato ideal foi encontrado após uma discussão entre um colaborador da maxon, um parceiro da Cybathlon e um fornecedor de motores do ISIR. O candidato é Christophe Huchet, um antigo gerente de restaurantes parisienses, que atualmente dá formação a gestores de PMEs. Nascido com uma agenesia do antebraço direito, conta com uma impressionante carreira na natação, tendo sido multicampeão de natação Handisport e também de outros desportos para pessoas portadoras de deficiência. “Este projeto faz-me regressar ao desporto de competição e à dinâmica a ele associada — que conheci bem durante a minha carreira enquanto nadador —mas, desta vez, ao serviço de uma causa forte: ajudar os outros e impulsionar a tecnologia e a sociedade. É também importante para mim participar neste evento que pretende mudar a forma como as pessoas com aparelhos olham para as pessoas com aparelhos; mostrar o lado extraordinário da união “prótese/utilizador” e promover esta aliança do corpo e da tecnologia, que torna a deficiência “bela”, de certa forma.”, explica Christophe Huchet.

Para participar na Cybathlon, em 2018 foi criada a equipa Smart ArM. Composta por um piloto, um gestor, uma equipa técnica de 11 pessoas do ISIR e do ISM-Univ Aix-Marseille, bem como por uma equipa médica. Este projeto reúne campos de investigação muito diferentes, desde a mecatrónica à informática, incluindo a neurociência e a fisiologia, a fim de estabelecer uma ligação adequada entre a prótese e o corpo.

“A nossa participação na Cybathlon foi motivada por vários objetivos, incluindo a promoção das inovações tecnológicas do ISIR, testadas no contexto intenso de uma competição. Também queríamos chamar a atenção do público em geral para estas deficiências específicas e comunicar, ao mesmo tempo, as possibilidades reais e os limites das tecnologias de assistência robótica”, explica Nathanaël Jarrassé. O projeto Smart ArM realça o papel principal desempenhado pelos humanos na união “homem/máquina”; muitas vezes temos tendência a acreditar que o sucesso se deve apenas à tecnologia.

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Várias dificuldades no design

A equipa do Smart ArM enfrentou várias dificuldades para avançar com o seu piloto. A maior delas consistiu em desenvolver uma articulação protética do cotovelo, designada “exoesquelética”, compatível com a anatomia de Christophe Huchet. “Ao contrário de um membro residual de uma pessoa com o braço amputado — geralmente encurtado pelo ato da amputação — o seu braço tem o comprimento de um braço normal, deixando, assim, pouquíssimo espaço para a instalação de uma articulação protética clássica de cotovelo endoesquelético”, explica Nathanaël Jarrassé. Os investigadores optaram por compensar a atuação lateralmente, a fim de colocar o eixo da articulação protética do cotovelo de forma ideal.

Mas este estava longe de ser o único desafio colocado pela prótese Smart ArM. Uma vez que foi concebido para participar na Cybathlon, o protótipo tinha de conseguir suportar uma utilização extensiva e intensa fora do laboratório. Nesse sentido, foi necessário conceber um dispositivo robusto e totalmente incorporado.

Elevadas restrições de motorização

A escolha da motorização do protótipo foi crucial e vários parâmetros tiveram de ser considerados. Os motorredutores utilizados no protótipo são confrontados com uma utilização intermitente muito intensa, com uma transmissão de roda de sem-fim para a articulação do cotovelo, com baixa eficiência e elevada fricção a seco, dificultando o arranque. Além disso, tinham de ser tidas em consideração as altas flutuações nas tensões de alimentação e os choques e vibrações consideráveis, pois o protótipo seria transportado por um indivíduo que iria estar sempre a correr e a caminhar.

Foram necessários seis meses de trabalho para desenvolver a articulação do cotovelo exoesquelético da prótese SAM. Para a respetiva operação, a equipa optou por utilizar um motor maxon. “Um cotovelo humano gera aproximadamente 15 N/m de binário com velocidades superiores a 150°/s. Para reproduzir tais características com uma pequena articulação e operação a bateria, estávamos à procura de um motorredutor de elevadíssimo desempenho e diâmetro reduzido. Foi por esse motivo que recorremos à gama de caixas de redutores DCX-GPX da maxon”, explica Nathanaël Jarrassé. Dentro do ISIR, não é rara a utilização de motores maxon no equipamento de protótipos robóticos, desenvolvidos no contexto de vários projetos de investigação. “A vantagem dos produtos maxon passa pelo fato de oferecem uma gama muito ampla de atuadores de pequeno diâmetro e motores de mercado com características perfeitamente identificadas, o que permite o dimensionamento ideal dos nossos dispositivos durante as fases preliminares de design”, acrescenta o Gestor de Projetos da Smart ArM. As equipas de investigação na Sorbonne ficaram particularmente satisfeitas com a possibilidade de construir e personalizar o atuador online. A maxon também prestou apoio técnico, através dos conhecimentos dos seus engenheiros.

A equipa da Smart ArM espera que a demonstração do seu know-how durante a Cybathlon 2020 permita a transferência das inovações desenvolvidas para os produtos comerciais. A mesma está confiante de que a sua abordagem inovadora ao controlo de próteses, baseada em movimentos corporais, irá convencer os fabricantes a estabelecer parcerias que permitiriam ao maior número de pessoas beneficiar desta inovação. “Desenvolver tecnologia com a finalidade de ajudar pessoas com deficiências, apesar dos muitos desafios, é algo extremamente inspirador e entusiasmante”, diz Nathanaël Jarrassé. Ao longo de todo o projeto, a equipa da Smart ArM empenhou-se em desenvolver uma ferramenta útil, aceitável e adequada para pessoas que desejam receber dispositivos. Uma grande ambição da qual a maxon se orgulha de ter feito parte.

Mais informações no sítio web da Smart ArM.