Mitad robot, mitad humano, ciencia ficción hecha realidad

Hay quienes apuntan a que el próximo hito al respecto llegará de la mano de las impresoras 3D. Se trata un proceso lento, que requiere de exhaustivos protocolos, pero del que ya se han conseguido resultados prometedores en animales y se han realizado algunas pruebas en humanos. Hace unos años, un paciente chino que sufría un tipo de tumor extremadamente raro en su columna vertebral, pudo beneficiarse de una prótesis a medida, diseñada en laboratorio a partir de una impresora láser 3D.

Por otro lado, la revista 'Nature' publicó un estudio en el que científicos americanos imprimieron estructuras cartilaginosas, óseas y musculares 'estables' que, tras implantarlas en roedores, maduraron hasta convertirse en tejido funcional, al tiempo que desarrollaron un sistema de vasos sanguíneos. Según los expertos, las 'bioimpresoras 3D' pueden fabricar tejido estable a escala humana de cualquier forma y tamaño, lo que permitiría imprimir tejido vivo y estructuras de órganos para la implantación quirúrgica.

Mientras se sigue trabajando para avanzar a este respecto, la tecnología permite otros muchos beneficios menos invasivos pero también necesarios y ventajosos.

Por ejemplo, en el mundo existen entre diez y quince millones de personas amputadas. Quienes pierden una extremidad pasan por un proceso a menudo doloroso y conseguir una prótesis que les permita funcionar de nuevo plenamente no suele ser sencillo y además, no es barato.

En la localidad de San Javier se encuentra la Fundación Rafa Puede, cuya finalidad, tal y como se explica es su web, es «favorecer la autonomía de las personas con discapacidad a través de la investigación y aplicación de recursos y medios técnicos y tecnológicos, así como realizar acciones encaminadas a desarrollar o mejorar sus habilidades físicas y sociales con el fin de conseguir una integración efectiva y un buen desarrollo personal».

El grupo de División de Innovación en Sistemas Telemáticos y Tecnología Electrónica (DINTEL) de la Universidad Politécnica de Cartagena, en una línea dirigida por el investigador Joaquín Roca, colabora con ellos desde hace un par de años.

«La relación arrancó con la propuesta de Vicente Muñoz, un alumno que decidió, como trabajo final de grado, desarrollar la fabricación de una prótesis mioeléctrica de bajo coste por impresión 3D; y al que animé a ser más ambicioso, planteando no solo un desarrollo sino también toda una metodología de adaptación de prótesis, ya existentes en el mercado, a todos los usuarios que las pudieran necesitar».

Precisamente, ahí radica la importancia de la iniciativa, dado que no todas las prótesis que se comercializan se adaptan de modo adecuado a las necesidades o características físicas de los usuarios por lo que, en ocasiones, resulta complicado adquirir una. Además, su coste suele alcanzar miles de euros.

El punto de partida para el equipo de la UPCT es, como cuenta Roca, «la realización de un análisis funcional de la extremidad del usuario para luego hacer un escaneo 3D del volumen de la misma y, a partir de esos resultados, desarrollar un mecanismo de unión que se adapte a la prótesis mecánica».

«Básicamente, es como un recubrimiento, a modo de manguito, que se diseña en 3D con las holguras suficientes para que no sea incómodo, pero ajustado para que sujete la prótesis en su lugar», aclara el profesor Roca.

El manguito se fabrica con un material termoplástico flexible, de última generación, cuya patente también es española. El coste final no supera los 60 euros, mientras que el mismo proceso a nivel clínico industrial cuesta miles de euros. Algo que, como explica Joaquín Roca, es absolutamente razonable que ocurra, dado que hoy las empresas deben llevar a cabo una importante inversión en I+D para un producto que va destinado a una población poco numerosa. Así, por ejemplo, una prótesis controlada mediante señales musculares pueden alcanzar los 50.000 euros».

Sobra decir que los dispositivos diseñados por estudiantes como los de la UPCT no son comparables a los profesionales y no tienen la misma calidad, pero sí pueden atender numerosas necesidades, sobre todo en países en vías de desarrollo, algo que, además, apoya dos de los objetivos del milenio planteados por la Unesco: acceso universal y atención a la diversidad.

Además de los mecanismos de adaptación, el equipo que dirige Joaquín Roca también realiza prótesis de baja tecnología, mediante impresión 3D. «Se trata de mecanismos sencillos que son muy útiles en situaciones diarias de baja complicación, como puede ser el aseo diario. En ese tipo de circunstancias, los usuarios prefieren prótesis de bajo coste para evitar que el agua pueda estropear sus prótesis más caras».

Los retos a los que se enfrentan actualmente estas líneas de trabajo pasan por automatizar aún más los procesos de adquisición 3D, de modelado, etc. Aspectos en los que, como apunta Roca, «hay que aprovechar la colaboración global. A día de hoy se han realizado numerosos estudios sobre diseño que ya son accesibles para todos y eso hay que tomarlo como una ventaja para ser capaces de avanzar desde el punto al que otros ya llegaron».

Movimiento

Con respecto a los actuadores -los dispositivos capaces de hacer que la prótesis funcione-, en este momento se emplean motores, pero se les plantean algunas limitaciones, sobre todo, relacionadas con la batería.

Una de las ideas más prometedoras al respecto llega de la mano de los músculos artificiales, de los que uno de los grandes expertos a nivel mundial es el catedrático de Química Física Toribio Fernández Otero, quien dirige el Centro de Electroquímica y Materiales Inteligentes de la Universidad Politécnica de Cartagena.

«Los motores y actuadores actuales trabajan basados en principios de la física del estado sólido o, los de combustión interna, en el principio de Carnot (entre un foco caliente y un foco frío), dilapidando la mayor parte del contenido energético de los combustibles. Los conocidos como músculos artificiales, por su parte, son motores electro-quimio-mecánicos, que trabajan a temperatura constante (fuera del principio de Carnot) con la máxima eficiencia energética. Aspiramos a que la tecnología del siglo XXI y XXII, inspirada por los músculos naturales, sea capaz de replicarlos: primero a pequeña escala en dispositivos de laboratorio; y, cuando se domine su química y su física, como piezas de robots y de todo tipo de máquinas», explica Fernández Otero.

Su funcionamiento es similar al de los músculos naturales, por reacciones químicas que mueven máquinas moleculares en disoluciones acuosas similares a las de las células. Como los naturales, sienten a través de la reacción a las condiciones de trabajo (son motores-sensores: no hay nada similar en la tecnología actual) y se pueden describir por ecuaciones sencillas que permiten desarrollar un 'software' sencillo de control.

En relación a su incorporación en prótesis, Fernández Otero apunta a que «se podrá empezar con exoesqueletos totalmente análogos (blandos y con sentido del tacto) para piernas y brazos naturales. Y, cuando se construyan transduntores neurona-computador (dentro de unos 15-30 años), se podrán conectar directamente al cerebro».

Como ventaja respecto a otros sistemas de movimiento, estos son los únicos que funcionan como los músculos naturales, impulsados por pulsos eléctricos y reacciones químicas que mueven máquinas moleculares.

El catedrático de la UPCT dice que «necesitaremos una nueva generación de ingenieros con grandes conocimientos de química, de ciencias de los polímeros, de electroquímica y de biología para poder desarrollarlos plenamente y levantar las empresas multinacionales que los construyan y vendan en todo el mundo. Aún no tenemos masa crítica, los físicos, los ingenieros y los diseñadores aún no los entienden (no tienen la formación adecuada, pertenecen a la civilización de la física del estado sólido)».

Por otro lado, las interacciones 'cerebro- máquina', que cada vez más dejan de plantearse como algo asociado a la ciencia ficción, apuntan como otra posible solución al movimiento de prótesis robóticas.

José Manuel Cano Izquierdo, investigador principal del grupo Neurotecnología, Control y Robótica (Neurocor) de la Universidad Politécnica de Cartagena dice que, «tras el conocido como 'Brain computer interface', se reúnen un conjunto variado de tecnologías que pretenden desarrollar una nueva forma de relacionarnos con los ordenadores. El objetivo es establecer un canal de comunicación directo con cerebro. Incluso que sea un canal bidireccional, es decir, que se pueda enviar información directamente del cerebro a la máquina y que la máquina 'responda' al cerebro».

Por el momento, se están utilizando diferentes tecnologías que se pueden dividir en dos grandes grupos: invasivas, en las que se introducen quirúrgicamente electrodos en el cerebro; y no invasivas, como la electroencefalografía (EEG), que mide los potenciales eléctricos asociados a la actividad neuronal, o la estimulación magnética transcraneal (EMT), que permite inducir estados de actividad en el cerebro.

Este tipo de tecnologías, como apunta el investigador de la UPCT Cano Izquierdo, «abren una nueva vía en la relación del hombre con los ordenadores. Es difícil pronosticar las implicaciones que el desarrollo de una tecnología conlleva, en este caso podemos señalar desde aplicaciones obvias, sustitución de teclados, ratones y otros tipos de elementos de entrada de datos e incluso pantallas hasta la ciencia ficción: volcado de la conciencia humana en una máquina».

«Más allá de las elucubraciones, se está trabajando en aplicaciones como los juegos, ayuda a personas con discapacidades, aplicaciones terapéuticas, estudio de satisfacción de consumidores e incluso detectores de mentiras», añade.

En relación a su uso relacionado con prótesis, José Manuel Cano avanza que, en principio, permitiría establecer un canal de comunicación directo entre el cerebro y la prótesis. Esto haría que el usuario aprendiese a manejar y utilizase la prótesis de forma análoga a como lo hacemos con nuestros miembros».

En el caso del 'Brain Computer Interface' sus ventajas están asociadas a la 'naturalidad' del uso y la facilidad en el aprendizaje. Ya que, según el investigador, «el cerebro es increíblemente adaptable y puede conseguir asimilar la prótesis como una parte más del propio cuerpo. Se podría pasar de pensar en qué tengo que hacer para mover a pensar en mover».

Por ahora, se han llevado a cabo experiencias de control de diferentes sistemas empleando esta tecnología: brazos mecánicos, coches e incluso tractores. Los mejores resultados se han obtenido mediante técnicas invasivas. Por ejemplo, una persona parapléjica ha podido mover un brazo robótico y servirse un vaso de agua. Se trabaja en la incorporación de este tipo de tecnologías en elementos como los exoesqueletos. Se han publicado resultados asociados a la transferencia de pensamiento: una persona piensa una palabra, la actividad neuronal es recogida por el ordenador, que se la transmite a otra persona y es capaz de percibirla.

En resumen, Juan Manuel Cano señala que «estas tecnologías empiezan a desarrollarse y pienso que están llamadas a abrir nuevos retos y nuevas formas de comunicación que nos planteen cuestiones relacionadas con el propio concepto de consciencia humana».