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# Informática # Robótica

Revolucionando las prótesis: El nuevo codo de rigidez variable

Descubre cómo los codos de rigidez variable están cambiando la vida de los amputados.

Giuseppe Milazzo, Simon Lemerle, Giorgio Grioli, Antonio Bicchi, Manuel G. Catalano

― 7 minilectura


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Perder un miembro es un evento que cambia la vida. No solo afecta la habilidad física de una persona, sino que también tiene consecuencias emocionales y sociales. Los dispositivos protésicos se crean para ayudar a las personas a recuperar su movilidad e independencia. Sin embargo, a pesar de los avances en la tecnología, muchas prótesis aún no funcionan como los miembros humanos reales. Un dispositivo protésico típico a menudo carece de la flexibilidad y el control necesarios para movimientos naturales.

Imagina tratar de comer sopa con una cuchara usando un palo rígido. Así es como se sienten muchas personas al usar brazos protésicos tradicionales. Pueden ayudar en las actividades diarias, pero están lejos de ser perfectos. Investigaciones recientes han buscado crear dispositivos protésicos que imiten mejor la forma en que funcionan nuestros miembros reales, proporcionando más comodidad y flexibilidad.

¿Qué hay de nuevo?

Un avance significativo en la tecnología protésica es el desarrollo de codos protésicos de Rigidez variable. A diferencia de los dispositivos protésicos estándar, que tienen rigidez fija, estos nuevos Diseños permiten a los usuarios cambiar la rigidez de la articulación del codo. Esto significa que pueden hacer que la articulación sea más flexible para tareas que requieren movimientos sutiles, como escribir o tocar un instrumento, y más rígida para actividades que necesitan más soporte, como levantar una caja.

Estos codos de rigidez variable funcionan utilizando un tipo especial de actuador. Piensa en un actuador como un pequeño motor que controla cuán rígido o blando se siente el codo. En lugar de un enfoque de talla única, estos dispositivos pueden ajustarse según las necesidades del usuario, ofreciendo una experiencia más natural y cómoda.

Por qué importa la rigidez

La rigidez de una articulación protésica es crucial para su rendimiento. La rigidez afecta cuánta fuerza puede manejar la articulación y cuán bien puede adaptarse a diferentes tareas. Al levantar objetos pesados, se necesita una articulación más rígida para soportar el peso. Por el contrario, al realizar tareas delicadas, una articulación más suave permitirá un movimiento más natural sin riesgo de lesiones.

Un codo que puede ajustar su rigidez es como tener una herramienta que puede convertirse en un martillo o un plumero, dependiendo de lo que necesites. Permite a los usuarios interactuar con su entorno de manera más natural, facilitando las tareas diarias y haciéndolas más cómodas.

¿Cómo funciona?

El codo de rigidez variable utiliza un diseño ingenioso que imita cómo funcionan nuestros músculos y tendones. En lugar de depender de un solo motor para operar el codo, estos dispositivos protésicos a menudo utilizan dos motores. Esta configuración puede crear fuerzas opuestas, similares a cómo trabajan juntos nuestros bíceps y tríceps.

Cuando doblas tu brazo, tus bíceps se contraen mientras tus tríceps se relajan. El mismo principio se aplica a estos codos de rigidez variable. Los motores trabajan en contra uno del otro para controlar el ángulo y la rigidez de la articulación del codo. Esta configuración dinámica permite un rango de movimiento y rigidez que se asemeja mucho al movimiento humano natural.

Opciones de diseño

Diseñar un codo protésico no es tarea fácil. Los ingenieros a menudo enfrentan el desafío de hacer que el dispositivo sea liviano mientras se asegura que siga siendo funcional. Los nuevos diseños buscan encontrar un equilibrio entre tamaño, peso y rendimiento.

Por ejemplo, algunos diseños mantienen todos los componentes contenidos dentro del antebrazo. Esta elección ayuda a reducir el peso total de la prótesis mientras permite un buen rango de movimiento. Por otro lado, algunos diseños dividen los motores entre el brazo superior y el antebrazo. Este enfoque distribuye el peso de manera más uniforme y puede hacer que el dispositivo sea más cómodo para los usuarios que necesitan apoyo adicional.

Pruebas y validación

Para asegurarse de que estos codos de rigidez variable sean efectivos, las pruebas y la validación extensas son cruciales. Esto implica verificar qué tan bien la prótesis puede imitar el movimiento natural y cómo responde a diferentes tareas. Las pruebas a menudo incluyen evaluar la capacidad del codo para doblarse en varios ángulos y soportar diferentes pesos.

Sorprendentemente, algunos diseños pueden levantar hasta 3 kg mientras siguen siendo livianos. Esta capacidad es notable en comparación con las prótesis tradicionales, que pueden tener dificultades con pesos similares. Además, estudios de casos en el mundo real muestran que los usuarios se benefician de la capacidad de ajustar la rigidez, haciendo que las tareas cotidianas sean más manejables.

Aplicaciones en el mundo real

Las aplicaciones prácticas para los codos de rigidez variable son numerosas. Por un lado, podrían mejorar significativamente la vida cotidiana de los amputados. Muchos usuarios encuentran que los dispositivos protésicos tradicionales limitan su capacidad para participar en actividades. Con la rigidez variable, pueden abordar una gama más amplia de tareas, desde cocinar hasta hacer deportes.

Por ejemplo, alguien podría cambiar fácilmente entre levantar una bolsa de compras y revolver una olla, todo con el mismo brazo. En escenarios donde los usuarios interactúan con varios entornos, como un mercado o un parque, la capacidad de adaptar la rigidez puede mejorar enormemente la seguridad y la efectividad.

Experiencia del usuario

La experiencia del usuario está en el centro del desarrollo de nuevas tecnologías protésicas. El objetivo no es solo crear un dispositivo funcional, sino uno con el que los usuarios se sientan cómodos. Los investigadores son muy conscientes de esta necesidad y consideran la retroalimentación de los usuarios durante el proceso de diseño. Muchos amputados han expresado el deseo de tener interacciones más naturales con sus miembros protésicos.

Al incorporar la retroalimentación de los usuarios, los desarrolladores pueden ajustar los dispositivos para satisfacer necesidades individuales. Características como un agarre ajustable o un movimiento de dedos más sensible pueden marcar la diferencia entre un dispositivo que es simplemente funcional y uno que se siente como una extensión del cuerpo.

El futuro de las prótesis

A medida que la tecnología avanza, el futuro de las prótesis parece prometedor. Los esfuerzos continuos de investigación y desarrollo tienen como objetivo refinar aún más estos dispositivos. Las mejoras en los materiales, como el uso de compuestos más ligeros y resistentes, harán que las prótesis sean aún más efectivas.

Además, los avances en los sistemas de control permitirán un uso más intuitivo. Por ejemplo, integrar sensores que puedan detectar movimientos musculares y responder en consecuencia podría eliminar la necesidad de ajustes manuales. El objetivo es crear una interfaz fluida entre el usuario y el miembro protésico, haciendo que la experiencia sea lo más natural posible.

Conclusión

En resumen, el desarrollo de codos protésicos de rigidez variable representa un paso importante en la tecnología protésica. Al permitir que los usuarios ajusten la rigidez de su articulación del codo, estos dispositivos ofrecen interacciones más naturales y cómodas con el mundo.

Con la investigación continua, las mejoras en el diseño y una mejor experiencia del usuario, el futuro parece brillante para aquellos que dependen de los miembros protésicos. Estos avances podrían cambiar no solo cómo viven los amputados, sino también cómo se sienten acerca de sus capacidades, permitiéndoles abrazar la vida con confianza, humor y un poco menos de pegajosidad en su sopa.

Fuente original

Título: Design, Characterization, and Validation of a Variable Stiffness Prosthetic Elbow

Resumen: Intuitively, prostheses with user-controllable stiffness could mimic the intrinsic behavior of the human musculoskeletal system, promoting safe and natural interactions and task adaptability in real-world scenarios. However, prosthetic design often disregards compliance because of the additional complexity, weight, and needed control channels. This paper focuses on designing a Variable Stiffness Actuator (VSA) with weight, size, and performance compatible with prosthetic applications, addressing its implementation for the elbow joint. While a direct biomimetic approach suggests adopting an Agonist-Antagonist (AA) layout to replicate the biceps and triceps brachii with elastic actuation, this solution is not optimal to accommodate the varied morphologies of residual limbs. Instead, we employed the AA layout to craft an elbow prosthesis fully contained in the user's forearm, catering to individuals with distal transhumeral amputations. Additionally, we introduce a variant of this design where the two motors are split in the upper arm and forearm to distribute mass and volume more evenly along the bionic limb, enhancing comfort for patients with more proximal amputation levels. We characterize and validate our approach, demonstrating that both architectures meet the target requirements for an elbow prosthesis. The system attains the desired 120{\deg} range of motion, achieves the target stiffness range of [2, 60] Nm/rad, and can actively lift up to 3 kg. Our novel design reduces weight by up to 50% compared to existing VSAs for elbow prostheses while achieving performance comparable to the state of the art. Case studies suggest that passive and variable compliance could enable robust and safe interactions and task adaptability in the real world.

Autores: Giuseppe Milazzo, Simon Lemerle, Giorgio Grioli, Antonio Bicchi, Manuel G. Catalano

Última actualización: 2024-12-05 00:00:00

Idioma: English

Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2412.03985

Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.03985

Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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