Para los más de 5 millones de personas en el mundo que han sufrido una amputación del miembro superior, las prótesis han recorrido un largo camino. Más allá de los apéndices tradicionales tipo maniquí, hay un número creciente de neuroprótesis comerciales: miembros biónicos altamente articulados, diseñados para detectar las señales musculares residuales del usuario e imitar robóticamente sus movimientos previstos.

Pero esta destreza de alta tecnología tiene un precio. Las neuroprótesis pueden costar decenas de miles de dólares y están construidas en torno a esqueletos metálicos, con motores eléctricos que pueden ser pesados y rígidos.

Ahora, ingenieros del MIT y de la Universidad Jiao Tong de Shanghai han diseñado una mano neuroprotésica blanda, ligera y de bajo coste. Los amputados que probaron la extremidad artificial realizaron actividades cotidianas, como cerrar la cremallera de una maleta, servir un cartón de zumo y acariciar un gato, tan bien -y en algunos casos mejor- que los que tenían neuroprótesis más rígidas.

Los investigadores descubrieron que la prótesis, diseñada con un sistema de retroalimentación táctil, restablecía algunas sensaciones primitivas en el muñón de un voluntario. Además, el nuevo diseño es sorprendentemente duradero, ya que se recupera rápidamente tras ser golpeado con un martillo o atropellado con un coche.

La mano inteligente es suave y elástica, y pesa alrededor de media libra. Sus componentes cuestan unos 500 dólares, una fracción del peso y el coste de los materiales asociados a las extremidades inteligentes más rígidas.

"Todavía no es un producto, pero sus prestaciones ya son similares o superiores a las de las neuroprótesis existentes, lo que nos entusiasma", afirma Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y de ingeniería civil y medioambiental del MIT. "Hay un enorme potencial para hacer que esta prótesis blanda sea de muy bajo coste, para las familias de bajos ingresos que han sufrido una amputación".

Zhao y sus colegas han publicado su trabajo hoy en Nature Biomedical Engineering. Entre los coautores se encuentran el postdoctorado del MIT Shaoting Lin, junto con Guoying Gu, Xiangyang Zhu y colaboradores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, en China.

La mano del gran héroe

El nuevo diseño flexible del equipo tiene un extraño parecido con cierto robot hinchable de la película de animación "Big Hero 6". Al igual que el androide blando, la mano artificial del equipo está hecha de un material blando y elástico, en este caso el elastómero comercial EcoFlex. La prótesis consta de cinco dedos en forma de globo, cada uno de ellos con segmentos de fibra, similares a los huesos articulados de los dedos reales. Los dedos flexibles están conectados a una "palma" impresa en 3D, con forma de mano humana.

En lugar de controlar cada dedo mediante motores eléctricos montados, como hacen la mayoría de las neuroprótesis, los investigadores utilizaron un sencillo sistema neumático para inflar con precisión los dedos y doblarlos en posiciones específicas. Este sistema, que incluye una pequeña bomba y válvulas, puede llevarse en la cintura, lo que reduce considerablemente el peso de la prótesis.

Lin desarrolló un modelo informático para relacionar la posición deseada de un dedo con la presión correspondiente que tendría que aplicar una bomba para alcanzar esa posición. A partir de este modelo, el equipo desarrolló un controlador que dirige el sistema neumático para inflar los dedos en posiciones que imitan cinco tipos de agarre habituales, como apretar dos y tres dedos, cerrar el puño y ahuecar la palma.

El sistema neumático recibe señales de los sensores EMG, sensores de electromiografía que miden las señales eléctricas generadas por las neuronas motoras para controlar los músculos. Los sensores se colocan en la abertura de la prótesis, donde se acopla a la extremidad del usuario. De este modo, los sensores pueden captar las señales del muñón, como cuando un amputado se imagina cerrando el puño.

El equipo utilizó entonces un algoritmo existente que "descodifica" las señales musculares y las relaciona con los tipos de agarre habituales. Utilizaron este algoritmo para programar el controlador de su sistema neumático. Cuando un amputado se imagina, por ejemplo, sujetando una copa de vino, los sensores recogen las señales musculares residuales, que el controlador traduce en las presiones correspondientes. La bomba aplica entonces esas presiones para inflar cada dedo y producir el agarre deseado por el amputado.

Para dar un paso más en su diseño, los investigadores trataron de habilitar la retroalimentación táctil, una característica que no está incorporada en la mayoría de las neuroprótesis comerciales. Para ello, han cosido en la yema de cada dedo un sensor de presión que, al tocarlo o apretarlo, produce una señal eléctrica proporcional a la presión detectada. Cada sensor está conectado a un lugar específico del muñón del amputado, de modo que el usuario puede "sentir" cuando se presiona el pulgar de la prótesis, por ejemplo, frente al dedo índice.

Buen agarre

Para probar la mano hinchable, los investigadores reclutaron a dos voluntarios, cada uno de ellos con amputaciones del miembro superior. Una vez equipados con la neuroprótesis, los voluntarios aprendieron a utilizarla contrayendo repetidamente los músculos del brazo mientras imaginaban que realizaban cinco agarres comunes.

Tras completar este entrenamiento de 15 minutos, se pidió a los voluntarios que realizaran una serie de pruebas estandarizadas para demostrar su fuerza y destreza manual. Estas tareas incluían apilar fichas, pasar páginas, escribir con un bolígrafo, levantar pelotas pesadas y recoger objetos frágiles como fresas y pan. Repitieron las mismas pruebas utilizando una mano biónica más rígida, disponible en el mercado, y descubrieron que la prótesis hinchable era tan buena, o incluso mejor, en la mayoría de las tareas, en comparación con su homóloga rígida.

Un voluntario también fue capaz de utilizar intuitivamente la prótesis blanda en actividades cotidianas, por ejemplo, para comer alimentos como galletas, pasteles y manzanas, y para manejar objetos y herramientas, como ordenadores portátiles, botellas, martillos y alicates. Este voluntario también podía manipular con seguridad la prótesis blanda, por ejemplo, para estrechar la mano de alguien, tocar una flor y acariciar un gato.

En un ejercicio especialmente emocionante, los investigadores vendaron los ojos al voluntario y descubrieron que podía discernir qué dedo protésico pinchaban y rozaban. También fue capaz de "sentir" botellas de diferentes tamaños que se colocaron en la mano protésica, y las levantó en respuesta. El equipo considera que estos experimentos son una señal prometedora de que los amputados pueden recuperar una forma de sensación y control en tiempo real con la mano hinchable.

El equipo ha presentado una patente sobre el diseño, a través del MIT, y está trabajando para mejorar su capacidad de detección y rango de movimiento.

"Ahora tenemos cuatro tipos de agarre. Puede haber más", dice Zhao. "Este diseño puede mejorarse, con una mejor tecnología de descodificación, matrices mioeléctricas de mayor densidad y una bomba más compacta que pueda llevarse en la muñeca. También queremos personalizar el diseño para la producción en masa, de modo que podamos trasladar la tecnología robótica blanda en beneficio de la sociedad."