Ingenieros de la Universidad Johns Hopkins han desarrollado una prótesis de mano innovadora que imita el tacto y la destreza matizados de una mano humana. A diferencia de las manos robóticas tradicionales, que son demasiado rígidas o demasiado blandas, este nuevo dispositivo utiliza un diseño híbrido: combinando estructuras internas rígidas con polímeros blandos y similares al caucho y sensores táctiles avanzados, para sujetar de forma segura y eficaz una variedad de objetos. Esta innovación tiene como objetivo mejorar significativamente la calidad de vida de las personas que han perdido una mano al proporcionar una experiencia prostética más natural e intuitiva, y tiene posibles aplicaciones más allá de la prostética en el campo más amplio de la robótica.
Ingenieros de la Universidad Johns Hopkins han logrado un avance significativo en la tecnología de prótesis de mano, desarrollando un dispositivo capaz de sujetar objetos con un nivel de destreza y sensibilidad que se aproxima al de una mano humana. Esta innovación aborda una necesidad crítica de prótesis más naturales y funcionales, superando las limitaciones de los diseños tradicionalmente rígidos o demasiado blandos de las manos robóticas. El logro central del sistema reside en su estructura híbrida, que combina las fortalezas tanto de la robótica rígida como de la suave para replicar las complejas mecánicas del tacto humano. Como Sriramana Sankar, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica de Johns Hopkins que dirigió el trabajo, declaró: “El objetivo desde el principio ha sido crear una prótesis de mano que modelamos basándonos en las capacidades físicas y de detección de la mano humana: una prótesis más natural que funcione y se sienta como un miembro perdido”.
El diseño único de la prótesis de mano se centra en un sistema de múltiples dedos que incorpora polímeros similares al caucho y un esqueleto interno impreso en 3D. Esta arquitectura se mejora aún más con tres capas de sensores táctiles, inspirados directamente en la estructura en capas de la piel humana. A diferencia de los sistemas de detección de tacto más simples, estos sensores permiten que la mano no solo perciba el contacto, sino que también distinga entre objetos de formas y texturas superficiales variables. La capacidad del dispositivo para agarrar y manipular objetos diversos es un diferenciador clave; puede manejar artículos delicados como juguetes de peluche, esponjas para platos y cajas de cartón, así como materiales más robustos como piñas y botellas de agua de metal. Esta versatilidad es crucial para restaurar una gama más amplia de funcionalidad a las personas con pérdida de la extremidad superior.
Central para el funcionamiento de la mano es su sistema de control, que aprovecha los propios músculos del antebrazo del usuario y algoritmos avanzados de aprendizaje automático. Las tres capas de sensores táctiles de la mano alimentan información a estos algoritmos, que luego traducen la entrada sensorial en señales que imitan el sistema nervioso. Este proceso permite una sensación realista del tacto, permitiendo a los usuarios controlar intuitivamente la mano y ajustar su agarre según sea necesario. “La información sensorial de sus dedos se traduce en el lenguaje de los nervios para proporcionar una retroalimentación sensorial naturalista a través de la estimulación nerviosa eléctrica”, explicó Sankar. En pruebas de laboratorio, el dispositivo demostró un rendimiento excepcional, manejando con éxito 15 objetos cotidianos con una precisión del 99,69%. Un ejemplo particularmente convincente de esta capacidad fue la capacidad de la mano para recoger delicadamente una taza de plástico fina y frágil llena de agua utilizando solo tres dedos, sin causar ningún daño o derrame.
El desarrollo se basa en investigaciones anteriores del mismo Laboratorio de Neuroingeniería e Instrumentación Biomédica, que previamente creó el “piel” electrónico del mundo capaz de detectar el dolor. Este trabajo anterior sentó las bases para crear sensores artificiales que imitan de cerca la funcionalidad de la piel humana, e informó directamente el diseño del sistema de detección táctil de la prótesis de mano. El enfoque híbrido, que combina componentes rígidos y blandos, se aparta de los diseños tradicionales de prótesis de mano, que normalmente priorizan ya sea la fuerza o la flexibilidad. Como señaló Sankar: “Estamos combinando las fortalezas tanto de la robótica rígida como de la suave para imitar la mano humana. La mano humana no es completamente rígida ni puramente blanda: es un sistema híbrido, con huesos, articulaciones blandas y tejido que trabajan juntos. Eso es lo que queremos que logre nuestra prótesis de mano”.
El éxito de la mano se basa en un sistema inspirado en el sistema nervioso que cierra la brecha entre el cerebro y la extremidad protésica. La mano utiliza señales musculares del antebrazo, similar a muchas prótesis de mano existentes, pero va más allá traduciendo la información sensorial en señales similares a las nerviosas. Estas señales permiten al usuario “sentir” lo que la mano está tocando, proporcionando una retroalimentación crucial para controlar la fuerza de agarre y evitar daños a los objetos. Nitish Thakor, profesor de ingeniería biomédica de Johns Hopkins que dirigió el trabajo, ilustró este punto: “Si está sosteniendo una taza de café, ¿cómo sabe que está a punto de dejarla caer? Su palmera y sus puntas de los dedos envían señales a su cerebro que la taza se está resbalando. Nuestro sistema está inspirado en el sistema nervioso: modela los receptores táctiles de la mano para producir mensajes similares a los nervios para que el ‘cerebro’ de la prótesis, o su computadora, entienda si algo está caliente o frío, suave o duro, o si se está resbalando del agarre”.
De cara al futuro, Thakor enfatiza que esta investigación representa un avance temprano y que es necesario un mayor refinamiento para realizar plenamente el potencial de la tecnología robótica híbrida. Las mejoras futuras incluyen aumentar las fuerzas de agarre, agregar sensores más sofisticados y utilizar materiales de grado industrial para una mayor durabilidad y confiabilidad. Sin embargo, las implicaciones de esta tecnología se extienden más allá de las prótesis, ya que Thakor cree que la destreza híbrida es esencial para la próxima generación de manos robóticas. “Esta destreza híbrida no es solo esencial para las prótesis de próxima generación”, afirmó. “Es lo que las manos robóticas del futuro necesitan porque no solo manejarán objetos grandes y pesados. Necesitarán trabajar con materiales delicados como vidrio, tela o juguetes blandos. Por eso una mano robótica híbrida, diseñada como la mano humana, es tan valiosa: combina estructuras blandas y rígidas, al igual que nuestra piel, tejido y huesos”.
El equipo de investigación incluyó colaboradores de la Universidad de Florida Atlántica y la Universidad de Illinois Chicago, destacando la naturaleza interdisciplinaria de este proyecto. La financiación de la investigación fue proporcionada por el Departamento de Defensa a través del Programa de Investigación de Resultados de Órtesis y Prótesis y la Fundación Nacional de Ciencias, lo que subraya la importancia de este trabajo tanto para las aplicaciones militares como civiles. El proyecto, titulado “Retroalimentación Neuromórfica: Una Estrategia para Mejorar la Incorporación y el Rendimiento de la Prótesis”, refleja el enfoque del equipo para crear prótesis que no solo restauren la funcionalidad, sino que también proporcionen una experiencia de usuario más natural e intuitiva.
Ingenieros de Johns Hopkins han desarrollado una prótesis de mano innovadora que imita el tacto humano a través de un diseño híbrido de materiales rígidos y blandos, combinado con sensores táctiles avanzados y aprendizaje automático. Esto permite un agarre preciso y adaptable de objetos diversos, desde juguetes delicados hasta botellas robustas, con una precisión cercana a la humana (99,69%). El sistema traduce la entrada sensorial en señales similares a las nerviosas, proporcionando a los usuarios una retroalimentación y un control intuitivos. Si bien aún se encuentra en las primeras etapas, esta investigación representa un importante avance para las prótesis y la robótica, allanando el camino para extremidades robóticas más naturales y versátiles. A medida que las aplicaciones robóticas se expanden más allá de las tareas industriales, la adopción de diseños bioinspirados como esta mano híbrida será crucial para permitir una interacción segura y eficaz entre humanos y robots. Una mayor exploración para mejorar la fuerza de agarre y las capacidades de los sensores promete soluciones protésicas aún más sofisticadas en el futuro.
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