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Robótica

Robots que ayudan a caminar

Dispositivos en desarrollo en Brasil ayudan en la rehabilitación de pacientes con movilidad limitada

Exoesqueleto robótico diseñado por investigadores de la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la USP

Léo Ramos Chaves

Los proyectos en fase de desarrollo en centros de investigación universitarios y en una startup del estado de São Paulo podrían satisfacer una demanda latente en Brasil por dispositivos robóticos destinados a mejorar la movilidad de las personas con limitaciones motrices. Investigadores de la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la Universidad de São Paulo (EESC-USP) anunciaron en noviembre que tienen listo un prototipo de exoesqueleto robótico capaz de brindar asistencia a la movilidad de los miembros inferiores de las víctimas de enfermedades tales como el ictus o accidente cerebrovascular (ACV), el mal de Parkinson y las lesiones de la médula espinal. El mecanismo emplea algoritmos para identificar la dificultad específica del paciente en cada articulación de la pierna, como el tobillo, la rodilla y la cadera, y proporciona automáticamente el esfuerzo necesario para llevar a cabo el movimiento.

“Se trata de un dispositivo concebido para la fisioterapia. No sustituye el esfuerzo del paciente, lo que inhibiría la recuperación. La idea es estimular la realización de actividades, proporcionando ayuda al paciente en la medida justa como para que pueda concretar actividades tales como caminar, subir escaleras o sentarse”, explica el ingeniero mecánico Adriano Almeida Gonçalves Siqueira, coordinador del proyecto y docente del Departamento de Ingeniería Mecánica de la EESC.

El exoesqueleto de la USP, que recibió ayuda de la FAPESP para el desarrollo de los algoritmos de control del sistema, es del tipo denominado tecnología vestible, y está compuesto por un cinturón pélvico, soportes empalmados sobre las articulaciones de las piernas, sensores, pequeños motores para impulsar el movimiento, correas de velcro y un par de zapatos. Todo el conjunto pesa 11 kilogramos (kg) y, por ahora, se lo ha probado en personas sanas. En esos test, demostró que posee la estabilidad y la seguridad estructural necesarias, dado que los algoritmos de ayuda al paciente también registraron un buen desempeño. “Los experimentos con personas discapacitadas se llevarán a cabo este año, en cuanto la pandemia del covid-19 así lo permita”, comenta Almeida Gonçalves Siqueira. Según él, si todo sale bien, el siguiente desafío consistirá en transformar el prototipo en un producto. Buscaremos interesados en su industrialización y comercialización”.

Los expertos estiman que las ventas globales de exoesqueletos humanos motorizados podrían sumar 48.000 unidades este año. El sector de la salud aportará la mayor demanda

En la actualidad, los exoesqueletos más comunes en los centros de rehabilitación son fijos y de gran porte. Con más de 200 kg, están compuestos por cintas caminadoras, barras de apoyo y estructuras para sostener el peso del paciente y de los motores, sensores y dispositivos computarizados. Uno de los más vendidos en todo el mundo es el modelo Lokomat, de la empresa suiza Hocoma, que es el que se utiliza en el Instituto de Medicina Física y Rehabilitación del Hospital de Clínicas de la Facultad de Medicina de la USP (FM-USP), que forma parte de la Red de Rehabilitación Lucy Montoro, en la Asociación de Asistencia a Niños Discapacitados (AACD), también en São Paulo, y en el Centro Estadual de Rehabilitación y Readaptación Dr. Henrique Santillo (Crer), en Goiânia, de la Secretaría de Salud del Estado de Goiás.

“Los equipos disponibles en el mercado, de origen europeo, estadounidense o japonés, tienen precios prohibitivos para la realidad de los países pobres. Los dispositivos para los miembros inferiores cuestan alrededor de 380.000 dólares y para los superiores, entre 130.000 y 160.000 dólares”, dice la fisiatra Linamara Rizzo Battistella, directora del Instituto de Medicina Física y Rehabilitación del Hospital de Clínicas de la FM-USP. “En Brasil, son pocos los centros de rehabilitación que cuentan con exoesqueletos”.

El modelo diseñado en la USP forma parte de un mercado que está empezando a crecer de manera significativa. En 2017 se vendieron en todo el mundo unos 6.000 exoesqueletos humanos motorizados, según datos de la Federación Internacional de Robótica (IFR), y esa cifra estaría llegando este año a las 48.000 unidades. La consultora estadounidense Prescient & Strategic Intelligence (P&S) proyecta, en su informe de investigación del mercado de los exoesqueletos (Exoskeleton market research report), una expansión del mercado global de los 290 millones de dólares registrados en 2019 hasta los 7.000 millones de dólares en 2030. Las cifras y los cálculos de la IFR no solo incluyen los exoesqueletos que se utilizan en el área de la salud, sino también en la industria y en el ámbito militar, en estos dos últimos casos, para ayudar a personas sanas a ejecutar tareas que requieren un gran desgaste físico.

Léo Ramos Chaves El prototipo de la USP está pensado para la recuperación del movimiento de los miembros inferiores en pacientes que han sufrido un ACV y lesiones medularesLéo Ramos Chaves

El director de Marketing de P&S Intelligence, Prajneesh Dwivedi, informa que la demanda principal de exoesqueletos llegará desde el sector de la salud. Algunos factores coincidentes en forma simultánea colaboran para eso, ellos son: la mayor disponibilidad de la gente y de los gobiernos para invertir en la salud, el crecimiento de la población geriátrica, y la apertura de oportunidades en el mercado laboral para las personas con discapacidad.

También contribuyen el alto número de casos de lesiones medulares (LM) y de accidentes cerebrovasculares (ACV). “Tan solo en Estados Unidos viven 291 mil personas con LM y se registran 17.700 nuevos casos al año”, declara Dwivedi, citando datos del National Spinal Cord Injury Statistical Center. En Brasil, el Ministerio de Salud estima en 6.000 a 8.000 los nuevos casos de LM por año y unos 197.000 casos atendidos en el Sistema Único de Salud (SUS) como resultado de episodios de ACV.

Por otro lado, subraya Dwivedi, el segmento de los exoesqueletos está desarrollando importantes avances con la incorporación de tecnologías robóticas, recursos tales como la inteligencia artificial, la conectividad en la nube y diseños livianos que utilizan materiales más adaptables al cuerpo humano. Un buen ejemplo es el equipo para uso en las extremidades inferiores denominado Hybrid Assistive Limb (HAL), desarrollado por la Universidad de Tsukuba y la firma Cyberdyne, ambas en Japón. En 2020, el HAL se convirtió en el primer exoesqueleto vestible en obtener la aprobación de un organismo de vigilancia sanitaria –en este caso el de Tailandia– para su uso médico. Además de Tailandia y de Japón, el robot ya se encuentra disponible en Malasia, Arabia Saudita y en varios países europeos.

El equipo de científicos de la EESC-USP también trabaja asociado con investigadores de las universidades federales de Rio Grande do Norte (UFRN), Espírito Santo (Ufes) y la Universidad de Brasilia (UnB) en el desarrollo de otro exoesqueleto para pacientes con paraplejia, es decir, con parálisis de las piernas y de la parte inferior del tronco, una situación generalmente causada por una lesión en la médula espinal y a menudo permanente. El proyecto posee el respaldo del Programa de Apoyo al Posgrado y a la Investigación Científica y Tecnológica en Tecnología Asistencial en Brasil (PGPTA), del gobierno federal.

El propósito de este equipo, denominado Ortholeg, consiste en ayudar a las personas discapacitadas a desplazarse caminado en su vida cotidiana. “El exoesqueleto sustituye a la silla de ruedas, facilitando la superación de obstáculos, tales como escalones, hoyos y cordones de la calle”, explica el ingeniero eléctrico Pablo Javier Alsina, coordinador de la iniciativa y del Laboratorio de Robótica y Sistemas Dedicados de la UFRN. Otra ventaja del Ortholeg, analiza el investigador, reside en que genera autoestima. “En la silla de ruedas, la persona habla de abajo hacia arriba. Al permitirle estar de pie, la sensación es de igualdad.

Léo Ramos ChavesEl Ortholeg ya va por su segunda versión. El primero pesaba 20 kg y el segundo, 12 kg. La estructura está fabricada en una aleación especial de aluminio y fibra de carbono y adopta un sistema de eficiencia energética capaz de reducir hasta un 30 % el consumo de la batería. Todo esto hizo posible sustituir los cuatro motores de alto rendimiento que costaban 50.000 reales cada uno por otros más livianos cuyo precio unitario es de 11.000 reales.

Los primeros exoesqueletos para personas parapléjicas que llegaron al mercado internacional requieren que el usuario seleccione cada movimiento a realizar mediante botones de mando. En tanto, el Ortholeg incorpora técnicas robóticas que le permiten al usuario ejecutar movimientos con un alto grado de autonomía. Además de poder elegir la dirección en la cual se pretende moverse, tiene un control total sobre el ritmo, las detenciones y los cambios de dirección. El exoesqueleto realiza el movimiento en forma automática. Para ello, está equipado con una cámara que visualiza los obstáculos y recurre a técnicas de inteligencia artificial, optimización y planificación del movimiento para adaptar el paso de la persona a la forma más adecuada para superar los obstáculos que tiene por delante y llegar a destino. “El exoesqueleto es como un taxi que lleva a la persona al destino elegido”, compara Alsina.

Para la fisiatra Linamara Battistella, de la FM-USP, la robótica presta un gran servicio a la rehabilitación motora, permitiéndole a los pacientes completar una mayor cantidad de repeticiones de los ejercicios

Según el ingeniero de la UFRJ, las pruebas del equipo con los usuarios estaban previstas inicialmente para 2020, pero también debieron posponerse a causa del covid-19. Ahora se espera poder realizarlas antes del final de este año. El paso siguiente es la presentación del dispositivo a la Agencia Nacional de Vigilancia Sanitaria (Anvisa) y, con la aprobación de este organismo, se tramitará la licencia comercial.

En el Laboratorio de Biomecatrónica de la Escuela Politécnica (Poli) de la USP se están desarrollando modelos de exoesqueletos para la rehabilitación en sesiones de fisioterapia, la prevención de lesiones laborales y también para fines asistenciales, es decir, para ayudar a las personas con discapacidad en su rutina cotidiana. El ingeniero Arturo Forner-Cordero, coordinador del Laboratorio de Biomecatrónica del Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Sistemas Mecánicos (PMR), informa que ya están listos los sistemas de arquitectura de control, que emplean algoritmos para reconocer el ritmo del paso de cada individuo generando un patrón de marcha. También se han ultimado los sistemas de control de posición y fuerza del robot para generar el esfuerzo adecuado para el movimiento, pero aún hay que construir los prototipos, un proceso que se ha retrasado debido a la pandemia. “Hacia el mes de julio deberíamos tener las primeras unidades terminadas”, estima Forner-Cordero.

Vitor Gaboardi dos Santos El Ortholeg emplea recursos de la inteligencia artificial para adaptar el paso del paciente y que este pueda superar los obstáculos con los que se cruzaVitor Gaboardi dos Santos

Son dos los modelos de exoesqueletos para personas con discapacidad que se están desarrollando en la Poli-USP, ambos motorizados. Uno emplea el sistema convencional con un motor junto a cada articulación asistida. El otro modelo adopta un sistema en el que los motores se montan en una mochila que se lleva en la espalda y la transmisión de la energía se realiza mediante cables tipo bowden, como los que se utilizan en los frenos de las bicicletas. “Este sistema permite reducir el peso que ha de soportarse en una zona debilitada, concentrándolo en la espalda”, explica el ingeniero mecatrónico Rafael Traldi Moura, también del PMR de la Poli-USP. Las investigaciones son financiadas por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq).

En São Caetano do Sul (São Paulo), la startup Vivax desarrolló un robot portátil para ayudar en la rehabilitación de las extremidades superiores. La idea es que el sistema se erija como una alternativa con un costo más accesible. Según la empresa, el robot, el primero de su clase, estimula al paciente a hacer ejercicio mediante juegos digitales en 3D que simulan las actividades cotidianas en un entorno tridimensional.

El dispositivo, similar a una palanca de mando, se mueve gracias a un sistema de coordenadas esféricas denominado A.R.M. (assistive rehabilitation machine). En los juegos, los movimientos están predefinidos. Mediante una interfaz, los terapeutas seleccionan los juegos más adecuados para cada paciente, así como la fuerza necesaria para realizar los ejercicios.

“Con el robot, el paciente ejecuta unos 1.400 movimientos en una sesión de fisioterapia de 50 minutos de duración. En una sesión normal se realizan unos 100 movimientos. Es como hacer 14 sesiones de fisioterapia en sólo 50 minutos”, resalta el ingeniero naval Antonio Makiyama, quien concibió el equipo junto con su hermano, el fisioterapeuta Tomas Makiyama.

El A.R.M. es portátil, pesa aproximadamente 15 kg y se está vendiendo a un costo de 80 mil dólares. Ya se han sido vendidos nueve de ellos a la Red Lucy Montoro y otros dos a la Municipalidad de São Paulo. “Es un dispositivo con proyección internacional y nos estamos preparando para su comercialización a escala”, dice Makiyama. Para 2021, Vivax tiene previsto sacar al mercado una versión del A.R.M. para las extremidades inferiores, con juegos lúdicos que utilizan el pie. El desarrollo del robot contó con el apoyo financiero del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe) de la FAPESP.

Léo Ramos Chaves El robot portátil de Vivax, con un formato similar al de un joystick, colabora en la rehabilitación de los miembros superioresLéo Ramos Chaves

Para Battistella, de la FM-USP, la robótica presta una enorme contribución a la rehabilitación, ya que le permite al paciente completar un mayor número de repeticiones de los ejercicios, algo que no podría hacer sin ayuda externa. “Los ejercicios físicos mejoran las condiciones motrices, cardiovasculares y cognitivas. Esta recuperación asistida por la robótica es más rápida, lo que le permite al afectado reanudar sus actividades normales en menos tiempo. El impacto social puede ser muy grande”, explica el especialista, cuyo grupo de investigación estudia, con el respaldo de la FAPESP, los mecanismos de neuroplasticidad implicados en el proceso de rehabilitación de la motricidad.

Los exoesqueletos, según la fisiatra, también ayudan a preservar la salud de los técnicos que, sin la ayuda de esos equipos, necesitan realizar un gran esfuerzo físico para ayudar a los pacientes. Otro beneficio de la robótica reside en que mejora el desarrollo de un tratamiento personalizado para cada paciente, utilizando para ello la información captada por los sensores, que evalúan en cada momento el esfuerzo realizado y la dificultad del paciente para completar la actividad.

Léo Ramos ChavesSegún Battistella, los exoesqueletos vestibles que se están desarrollando en las universidades brasileñas han demostrado en laboratorio que son capaces de ofrecer las mismas funcionalidades para la rehabilitación de los pacientes e información para el equipo médico que proporcionan los modelos analógicos. En su opinión, los dispositivos nacionales podrían suponer un potencial de mercado aún sin precedentes en el mundo si tienen buenos resultados en las pruebas con los pacientes.

“Un producto viable para su adquisición por el Sistema Único de Salud en Brasil tendrá una rápida expansión en el mercado. Los países de América Latina, África y Asia también estarían interesados”, dice la fisiatra, quien es una de las coordinadoras del Grupo de Desarrollo de las Directrices de Rehabilitación Sanitaria de la Organización Mundial de la Salud (OMS).

Proyectos
1. Estrategias adaptativas híbridas para exoesqueletos de los miembros inferiores (nº 19/05937-7); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Adriano Almeida Gonçalves Siqueira (USP); Inversión R$ 139.379,82
2. Investigación y desarrollo de un robot portátil para la rehabilitación neurológica y ortopédica de los miembros inferiores (nº 19/09933-6); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Convenio Pappe/Finep; Investigador responsable Antonio Massato Makiyama (Vivax); Inversión R$ 750.170,13
3. El déficit inhibitorio como marcador de la neuroplasticidad en la rehabilitación (nº 17/12943-8); Modalidad Ayuda de Investigación; Programa Spec; Investigador responsable Felipe Fregni (USP); Inversión R$ 3.104.574,50

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