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Jun 07, 2023

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UNA CARGA MÁS LIGERA: a diferencia de los exoesqueletos rígidos de cuerpo completo, los dispositivos robóticos más nuevos,

UNA CARGA MÁS LIGERA: A diferencia de los exoesqueletos rígidos de cuerpo completo, los dispositivos robóticos más nuevos, como este exotraje que asiste el tobillo, podrían ayudar a los pacientes con accidentes cerebrovasculares a recuperar un modo de andar normal, y son livianos y suaves para una mayor comodidad. PREMIOS ROLEX/ FRED MERZ

En el laboratorio de ingeniería de Conor Walsh en la Universidad de Harvard, nadie mira con recelo a un miembro del personal que lleva una mochila que zumba ruidosamente, con cables que serpentean por su pierna. Un trío de máquinas de coser tiene su propio taller. Una docena de pares de botas de montaña idénticas llenan ordenadamente un estante para zapatos en el lado más alejado de una caminadora. Un guante sin cuerpo se aprieta y se endereza a medida que el aire se llena y drena de sus dedos.

Todo este equipo tiene como objetivo ayudar a las personas a moverse más rápido, con más suavidad y gastando menos energía. Walsh, también miembro principal de la facultad en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard, está muy entusiasmado con los dispositivos que su grupo está diseñando para...

Walsh pertenece a un grupo creciente de investigadores en todo el mundo que utilizan robótica pequeña y liviana para ayudar a las personas con una variedad de afecciones médicas que dificultan la movilidad. Los "exoesqueletos" rígidos de todo el cuerpo han aparecido en los titulares en los últimos años, quizás sobre todo cuando un traje desarrollado por el neurocientífico Miguel Nicolelis de la Universidad de Duke y sus colegas permitieron a un brasileño parapléjico de 29 años patear un balón de fútbol en el lanzamiento del Copa del Mundo 2014 en São Paulo. Esos exoesqueletos han ayudado a las personas paralizadas a volver a caminar, aunque con torpeza, empujándolos, jalándolos y apoyándolos para que se pongan de pie y muevan una pierna seguida de la otra. Pero Walsh y otros investigadores se dieron cuenta de que las personas con condiciones menos incapacitantes necesitan un impulso más sutil. Ahora, equipos de todo el mundo están desarrollando dispositivos más pequeños y livianos que ayudan, en lugar de impulsar, el movimiento. Y cosidos a la ropa, se pueden poner tan fácilmente como ponerse los pantalones, una camisa o los guantes.

Un grupo en Italia está diseñando un traje para reducir las caídas entre los ancianos y los amputados, por ejemplo, mientras que los investigadores de la Universidad de Stanford están tratando de reducir la energía que necesitan las personas que se recuperan de un accidente cerebrovascular para caminar. Y un equipo en la ciudad de Nueva York está ayudando a los niños con parálisis cerebral a salir de la "marcha agachada" que les dificulta e incomoda moverse.

Existe una apreciación general, tanto dentro de la comunidad científica como clínica, de que estos dispositivos robóticos pueden marcar una gran diferencia en la vida de las personas.—Sunil Agrawal, Universidad de Columbia

Estos avances están respaldados por una serie de mejoras tecnológicas y reducciones de costos durante la última década, dice Walsh. Los motores son más pequeños, más potentes y más baratos. La electrónica es más fácil de usar. Los giroscopios y los acelerómetros ahora son tan pequeños, económicos y precisos que pueden dar direcciones en los teléfonos celulares y pueden decir con precisión dónde está la pierna de alguien en el espacio y en qué dirección se está moviendo. mejor en general", dice Walsh.

"Es un gran momento en el campo", concuerda Sunil Agrawal de la Universidad de Columbia, quien dirige el trabajo sobre la parálisis cerebral. "Existe una apreciación general, tanto dentro de la comunidad científica como clínica, de que estos dispositivos robóticos pueden marcar una gran diferencia en la vida de las personas".

El trabajo de Walsh en los exotrajes comenzó hace casi seis años como una colaboración con científicos de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del gobierno de los EE. (Consulte "Más allá de la clínica"). Sin embargo, unos años después de iniciado el proyecto, los investigadores comenzaron a darse cuenta del potencial de la tecnología para ayudar también a los pacientes, en particular, a las personas que se recuperan de un accidente cerebrovascular, que afecta a casi 800 000 estadounidenses al año y deja a muchos con problemas físicos. discapacidades

CAMINAR: Una variedad de nuevos dispositivos podrían ayudar a restaurar la locomoción deteriorada o incluso reducir la energía que necesita una persona sana para caminar. Un exotraje desarrollado por investigadores de la Universidad de Columbia podría ayudar a los niños con parálisis cerebral a superar la "marcha agachada", una condición en la que la flexión excesiva de las rodillas, las caderas y los tobillos provoca un esfuerzo excesivo y dolor.JIYEON KANG Y SUNIL K. AGRAWALBABY STEPS: Researchers at La Universidad Carnegie Mellon está trabajando para desarrollar un dispositivo que respalde la capacidad del pie para empujar el suelo para ayudar a caminar. Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon

Si tienen suerte y están bien asegurados, los pacientes con accidente cerebrovascular reciben algunas semanas de terapia de rehabilitación para pacientes hospitalizados, dice el fisioterapeuta Terry Ellis, quien colabora con Walsh y dirige el Centro de Neurorrehabilitación en la Facultad de Ciencias de la Salud y Rehabilitación de la Universidad de Boston: Sargent Colega. Pero con un tiempo limitado, los especialistas en rehabilitación se enfocan en hacer que los pacientes vuelvan a caminar de cualquier manera posible, a menudo con el uso de un andador, un bastón o un aparato ortopédico de plástico duro de 90 grados que evita que el pie más débil se "caiga" cuando lo levantan del suelo para dar un paso. Muchos pacientes nunca vuelven a aprender a caminar normalmente, dice Ellis. Y debido a que el aparato ortopédico de plástico evita que el paciente pueda levantarse del suelo con ese pie (una parte esencial de la biomecánica de la marcha), cuanto más camina la persona, más débil se vuelve el tobillo y más cae el pie, agrega. . "Nos estamos perdiendo. No estamos optimizando el potencial que la gente tiene para mejorar".

Los pacientes con accidente cerebrovascular en sillas de ruedas se quedan aún más rezagados: no solo carecen de apoyo para trabajar en las habilidades para caminar, sino que estar sentados constantemente afecta la función intestinal y de la vejiga, reduce la masa ósea y desregula la presión arterial, señala Paolo Bonato, investigador del Spaulding Rehabilitation Hospital en Boston, que colabora con Walsh y Ellis. "Estar de pie y en una posición de carga es bastante importante para el cuerpo", dice. Y un exotraje suave puede ser justo lo que los pacientes con derrames cerebrales necesitan para volver a ponerse de pie.

En el laboratorio de Walsh, el estudiante graduado Jaehyun Bae se pone una versión del dispositivo que el grupo ha desarrollado y lo lleva a la caminadora. Mientras finge caminar con un pie caído, un cable del dispositivo envuelto alrededor de su pantorrilla y tobillo tira de su pie justo en el segundo correcto para evitar golpear el suelo, luego lo suelta rápidamente para que pueda impulsarse. Cuando acelera el paso, los movimientos robóticos se aceleran con él. Bae luego cambia su forma de andar para balancear una pierna hacia afuera. Una vez más, el dispositivo hace coincidir su paso para volver a alinear la pierna.

En las pruebas preliminares realizadas por los colaboradores de Walsh en dos clínicas de Boston, el dispositivo parece estar ayudando a los pacientes con accidentes cerebrovasculares. No solo corrige apropiadamente los movimientos aberrantes de los usuarios, sino que ayuda a aumentar su ritmo. Un adulto joven saludable generalmente camina alrededor de 1,2 metros por segundo, dice Walsh. Alguien que camina a menos de 0,4 metros por segundo se considera esencialmente confinado a su hogar; aquellos con un ritmo de 0,4 a 0,8 metros por segundo pueden salir ocasionalmente, y aquellos cuya velocidad supera los 0,8 pueden integrarse plenamente en la sociedad. "Si pudiera obtener a alguien de 0,3 a 0,6, o de 0,6 a 0,9, sería un gran problema", dice Walsh. En julio pasado, él y su equipo mostraron un progreso sustancial hacia esa meta.2 "No estamos hablando de cambios tremendos, solo estamos tratando de dar un pequeño impulso suficiente para empujar a las personas sobre estos umbrales para que puedan comenzar a ser más activo."

A principios de este año, en colaboración con ReWalk Robotics, Walsh y sus colegas evaluarán una versión comercialmente viable del exotraje para pacientes con accidente cerebrovascular. Esperan obtener la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA) para fines de 2018. Al mismo tiempo, los investigadores están desarrollando un sistema que funciona en ambas piernas y que debería estar listo dentro de un par de años para ayudar a las personas con una mayor variedad de dolencias. , incluida la esclerosis múltiple, la parálisis cerebral, la ELA y la enfermedad de Parkinson, dice Walsh. Más lejos, pero también en desarrollo: dispositivos que abordarán problemas del brazo en las mismas enfermedades, agrega. "Hemos estado comenzando a probar y comenzando a comprender cómo podemos ayudar mejor a alguien que tiene una discapacidad en las extremidades superiores".

Un puñado de otros equipos de investigación también están desarrollando exotrajes blandos para pacientes con trastornos del movimiento. En Pisa, Italia, por ejemplo, Vito Monaco en la Scuola Superiore Sant'Anna ha desarrollado un sistema de soporte pélvico para ancianos y amputados que, al menos en el laboratorio, puede ayudar a alguien antes de que se caiga.3 "No es fácil predecir la forma en que una persona se caerá", dice Monaco. "Nosotros, como robóticos, deberíamos combinar la detección de caídas o falta de equilibrio con estrategias para ayudar a las personas a recuperar el equilibrio". Un grupo belga de la Universidad de Ghent también tiene como objetivo ayudar a las personas mayores a moverse, y el año pasado los investigadores demostraron que el exotraje que construyeron para ayudar con la flexión plantar, la etapa de "empuje" de la marcha, puede reducir el esfuerzo que se requiere para caminar. una persona mayor de 65 años a caminar.4

Mientras tanto, Agrawal de Columbia se enfoca en la rehabilitación y capacitación de pacientes en el hospital, utilizando exotrajes accionados por cable para entrenar a niños con parálisis cerebral5 y pacientes adultos con derrames cerebrales para mejorar la coordinación de sus extremidades. En lugar de un solo cable o un conjunto de cables para ayudar a alguien que arrastra un pie, Agrawal dice que los exotrajes de su grupo, que a menudo se sujetan al techo para mayor estabilidad, tienen múltiples cables que aplican fuerzas para manipular la marcha de una manera mucho más precisa. apropiado para la terapia de rehabilitación. Está particularmente interesado en la postura y la curvatura de la columna, y ha escrito varios artículos recientes que muestran que los exotrajes de su equipo pueden entrenar a los pacientes para corregir la debilidad postural.6

Otros proyectos en todo el mundo incluyen un esfuerzo en la Universidad de Michigan para desarrollar un tobillo robótico que se adapte a la forma de andar de su usuario, que actualmente se está probando en personas sanas,7 y el trabajo colaborativo en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill pretendía ayudar a la mecánica y el control de los músculos y tendones del tobillo.8 Mientras tanto, el asesor de posgrado de Walsh, Hugh Herr en el MIT, está trabajando con colegas para desarrollar prótesis biónicas y exotrajes destinados a ayudar a los amputados, así como a las personas sanas y a otros pacientes a saltar. , correr y caminar.9

Incluso las corporaciones de renombre han expresado interés en el campo. Samsung, por ejemplo, está desarrollando exotrajes para todo el cuerpo y solo para la cadera diseñados para ayudar a caminar a personas mayores y discapacitadas y, eventualmente, para mejorar el rendimiento de los soldados. Honda ha estado desarrollando un exotraje de asistencia para personas con parálisis total. Y Toyota anunció a principios de este año que su exotraje de rehabilitación, dirigido a personas con parálisis de las extremidades inferiores, pronto estaría disponible para alquilar en instalaciones médicas.

Estas tecnologías todavía enfrentan una buena cantidad de desafíos. De hecho, solo hay ocho grupos en todo el mundo "que han demostrado un dispositivo que puede mejorar el rendimiento del usuario", señala Steven Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Stanford que recientemente se mudó allí desde Carnegie Mellon. "Y todo eso se ha demostrado en los últimos cuatro años".

Estamos al nivel de Toshiba en este momento. Tenemos un largo camino por recorrer antes de llegar a un tipo de sistema MacBook Air.—Paolo Bonato, Spaulding Rehabilitation Hospital

Un problema es la practicidad. Mónaco, por ejemplo, todavía está luchando para que sus exotrajes sean lo suficientemente livianos para que no desestabilicen aún más a los usuarios. "La última versión de nuestra pelvis [robótica] pesa de 3 a 4 kilos, lo que es una mochila bastante grande para una persona mayor, más que un par de botellas grandes de agua", dice. Bonato está de acuerdo y compara los exotrajes de hoy con las computadoras portátiles de hace 10 o 15 años. En ese entonces, su computadora Toshiba era ostensiblemente portátil, pero apenas. "Estamos al nivel de Toshiba en este momento. Tenemos un largo camino por recorrer antes de llegar a un sistema tipo MacBook Air".

Y no es solo el tamaño de los dispositivos, sino también su función, agrega Collins, argumentando que la mayoría de las fallas provienen de la falta de comprensión sobre la mejor manera de ayudar. "Es muy fácil dificultar accidentalmente que una persona" camine, dice.

Su grupo y el de Walsh ahora están empleando un enfoque iterativo, en el que los dispositivos se pueden cambiar o "aprender" a medida que las personas interactúan con ellos. Demasiados grupos de investigación se enfocan en hacer un dispositivo genérico que mueva las piernas de todos, sin abordar los movimientos individuales que componen ese movimiento, argumenta Collins. Con un enfoque iterativo, "puede probar muchos diseños muy rápidamente sin tener que construir hardware nuevo y especializado" para cada persona que usa el dispositivo, dice. Usando un algoritmo de optimización para explorar de manera eficiente los movimientos potenciales que podrían ayudar, Collins y sus colegas demostraron que podían reducir el gasto de energía en un 24 por ciento con un exotraje adaptado a una persona sana, una mejora cuatro veces mayor que la que habían logrado al hacer el variaciones a mano.10 "Nos quedamos boquiabiertos", dice.

Collins dice que hacer un dispositivo que realmente ayude a las personas requiere involucrarlas en el proceso de desarrollo. El hardware y el software son importantes, y también lo es la persona dentro del traje, señala. "Cuando comenzamos el trabajo de optimización, pensamos que lo más importante era encontrar el [mejor] dispositivo. [Pero] tan importante como el dispositivo que aprende a la persona es la persona que aprende el dispositivo".Karen Weintraub es una escritora científica independiente que vive en Cambridge, Massachusetts.

¿UN MERCADO VIABLE? Larry Jasinski, CEO de ReWalk Robotics, dice que está convencido de que existe un amplio mercado para los nuevos exotrajes. ReWalk se hizo un nombre desarrollando exoesqueletos rígidos para personas con lesiones en la médula espinal y ahora cuenta con la aprobación de la FDA para un dispositivo que permite a las personas paralizadas ponerse de pie y caminar. Pero dice que al menos un tercio de las llamadas que recibe son de pacientes con enfermedades de las neuronas motoras que le preguntan cuándo va a hacer algo que pueda ayudarlos. "Me dice que tenemos una audiencia aquí que en realidad es más grande que la comunidad de la médula espinal", dice.

Dice que espera que dentro de unos años pueda ofrecer trajes aún más económicos hechos a medida para otros pacientes: personas que sufren de esclerosis múltiple o enfermedad de Parkinson que necesitan movimientos aún más ligeros. Jasinski dice que espera completar las ofertas con exotrajes dirigidos a personas con parálisis cerebral y ancianos, una vez que el traje pueda ser rediseñado y probado para ellos. "Si podemos manejar todo eso, tenemos una industria muy grande", dice.

Estos dispositivos más nuevos costarían mucho menos (del orden de solo $19 500) que los exoesqueletos de cuerpo entero para parapléjicos, que cuestan alrededor de $80 000, dice Jasinski, quien señala que los hospitales de rehabilitación podrían tener una motivación financiera para comprar los trajes porque hay menos miembros del personal será necesario para trabajar con cada paciente. Los costos en el hogar pueden ser más difíciles de justificar ante una compañía de seguros, al menos al principio, dice. Pero un paciente podría alquilar el traje según lo necesite, para reducir el precio a una suma manejable. "Puedo hacer que eso funcione a partir de un modelo de negocio".

MÁS ALLÁ DE LA CLÍNICA INSTITUTO WYSS EN LA UNIVERSIDAD DE HARVARD Asa Eckert-Erdheim, ingeniera de planta en el laboratorio de Conor Walsh en la Universidad de Harvard, camina despacio y luego rápido en una caminadora. Los alambres emergen de la mochila de estilo militar que lleva puesta y se dirigen a las bandas que se envuelven alrededor de sus piernas y terminan donde terminan sus pantalones cortos, justo por encima de las rodillas. El dispositivo robótico detecta sus movimientos de marcha repetitivos y sostiene sus piernas con fuerzas aplicadas en paralelo con sus músculos. Pero cuando interrumpe el ritmo, simulando trepar por una roca en su camino, las cuerdas se aflojan, por lo que no se interponen en su camino. El dispositivo también se adapta a su velocidad cuando empieza a correr.

El exotraje robótico está destinado a ayudar a los soldados a marchar más rápido y más lejos mientras cargan mochilas pesadas, explica Eckert-Erdheim. La última versión del traje de Harvard pesa 4,5 kg y puede reducir el esfuerzo de un soldado entre un 5 y un 10 por ciento en situaciones del mundo real. Eventualmente, el objetivo es lograr una reducción de energía del 25 por ciento, dice Walsh, miembro de la facultad del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard, quien en 2014 recibió un contrato de $ 2.9 millones de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para el trabajo.

HACIENDO EL TRABAJO MÁS FÁCIL: en asociación con el ejército de los EE. UU., los investigadores del Instituto Wyss de Harvard están desarrollando un exotraje, usado aquí por el estudiante graduado Pawel Kudzia, destinado a reducir el gasto de energía para los soldados y los socorristas. INSTITUTO WYSS EN LA UNIVERSIDAD DE HARVARD La promesa de esta tecnología ha atraído el interés militar durante décadas. A principios de la década de 1960, por ejemplo, los investigadores de la Universidad de Cornell se asociaron con la Marina para desarrollar el Man Amplifier, un exotraje de cuerpo completo destinado a "aumentar y amplificar la fuerza muscular [de un soldado] y aumentar su resistencia en el desempeño de tareas que requieren grandes cantidades de esfuerzo físico", según un informe de 1964. Más recientemente, Steven Collins, de la Universidad de Stanford, ha estado trabajando con el Ejército para diseñar un exoesqueleto para las extremidades inferiores que brinde asistencia en las caderas, las rodillas y los tobillos, así como "algoritmos de optimización humanos en el circuito" para identificar el mejores patrones de asistencia robótica.

De vuelta en Harvard, Walsh y su equipo todavía se están reuniendo con oficiales del ejército para averiguar cómo podrían proceder con el proyecto a pesar de que el último contrato militar del laboratorio ha terminado. "Aún no tenemos una idea clara, pero estamos entusiasmados de hablar con el Ejército y la comunidad médica militar", dice Ignacio Galiana, ingeniero de robótica del personal del Instituto Wyss y ex postdoctorado en el laboratorio de Walsh.

Los socorristas, como los bomberos, también podrían beneficiarse de dispositivos que reduzcan su fatiga al subir tramos de escaleras o transportar cuerpos inertes, por ejemplo. Los investigadores también ven un mercado para estos exotrajes en el atletismo, particularmente cuando se trata de entrenamiento, "para sentir cómo lo estás haciendo y darte retroalimentación sobre cómo podrías mejorar", dice Galiana. "O podrías imaginarte usando el dispositivo para mejorar tu rendimiento o para recuperarte más rápido después de hacer mucho ejercicio" o sufrir una lesión.

Corrección (2 de febrero): La versión original de esta historia identificó incorrectamente a Hugh Herr del MIT como asesor postdoctoral de Conor Walsh. De hecho, fue el asesor de posgrado de Walsh, como se indica en esta versión corregida. El científico lamenta el error.