Una innovadora mano robótica desarrollada recientemente es capaz de recoger suavemente una gran variedad de objetos, desde delicados vasos de plástico hasta pesadas y espinosas piñas.
Las manos humanas son sistemas extraordinariamente complejos. El esqueleto proporciona una estructura estable, los músculos se ajustan a diferentes pesos y la piel -con sus sensores de tacto, presión y temperatura- proporciona información inmediata sobre el objeto que estamos tocando. Las articulaciones flexibles nos permiten realizar acciones precisas como teclear o utilizar un mando de videojuegos sin esfuerzo consciente.
Un equipo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins ha conseguido recrear estas características en una avanzada mano robótica protésica. En el centro de la mano hay un esqueleto impreso en 3D. Cada dedo incluye tres articulaciones independientes de silicona accionadas por presión de aire. Una "piel electrónica" de tres capas recubre las puntas de los dedos y permite a la mano medir en tiempo real la fuerza de agarre necesaria. La mano se controla detectando únicamente las señales eléctricas de los músculos del antebrazo.
En los experimentos realizados, participantes sanos utilizaron la mano para coger diversos objetos: desde juguetes blandos y esponjas de cocina, que agarraba con suavidad, hasta pesadas botellas de agua metálicas y piñas espinosas, en las que ajustaba su fuerza de agarre en consecuencia. En todos los casos, levantó los objetos sin dejarlos caer ni causarles daños.
El objetivo principal del proyecto era crear una mano protésica basada en las capacidades físicas y sensoriales de la mano humana: una prótesis más natural que funcione y se sienta como un miembro perdido.
Evolución de las prótesis
Las manos protésicas han experimentado un importante desarrollo a lo largo de la historia. Una de las primeras manos protésicas, fabricada en metal en la Edad Media, incluía articulaciones que podían moverse pasivamente con ayuda de la otra mano.
Hoy en día, la tecnología de la robótica blanda está revolucionando este campo. A diferencia de los materiales rígidos e inflexibles, las manos de materiales blandos pueden manipular objetos delicados sin deformarlos ni aplastarlos. Los sensores integrados de presión y temperatura las hacen más humanas gracias a la retroalimentación sensorial.
Sin embargo, las manos robóticas blandas tienen una importante desventaja: no pueden generar sistemáticamente la misma fuerza necesaria para levantar objetos pesados. Incluso con múltiples articulaciones y una palma dinámica, las manos robóticas blandas tienen dificultades para identificar diferentes texturas en comparación con sus homólogas rígidas. Además, son relativamente débiles: las manos robóticas blandas actuales sólo pueden levantar un kilo y medio.
En cambio, nuestras manos humanas combinan un esqueleto rígido con tejidos blandos -músculos y tendones- capaces de estirarse, girar y contraerse. Los sensores de presión de nuestra piel proporcionan una respuesta inmediata: ¿estamos presionando un juguete blando, sujetando una taza de café resbaladiza o manejando un dispositivo electrónico?
Por eso los diseños protésicos actuales combinan esqueletos con "músculos" artificiales.
Por ejemplo, el brazo LUKE, disponible en el mercado, incluye un esqueleto de metal y plástico que le confiere resistencia y estabilidad. Las puntas de los dedos contienen materiales blandos que mejoran la destreza. La prótesis puede agarrar objetos utilizando varias entradas, por ejemplo señales eléctricas de los músculos o un pedal que permite cambiar entre distintos niveles de agarre. Sin embargo, la mano sigue siendo rígida en su mayor parte y tiene una movilidad limitada. El pulgar y el índice pueden doblarse por separado, pero el resto de los dedos se mueven juntos.
Otro problema es la retroalimentación. Los dedos humanos utilizan el tacto para calibrar su agarre. Cada una de las tres capas de la piel codifica sensaciones distintas a través de diversos receptores biológicos. La capa externa detecta el tacto ligero y las vibraciones lentas, como el roce del pelo con la mano. Las capas más profundas detectan la presión: la textura y el peso de un objeto pesado, por ejemplo.
En 2018, el equipo de investigación desarrolló una piel electrónica inspirada en la piel humana. El material, llamado E-dermis, detectaba texturas y las transmitía a los nervios restantes del brazo de un amputado mediante una suave estimulación eléctrica. La piel utilizaba sensores piezorresistivos, de modo que la presión cambiaba la forma en que los sensores conducían la electricidad. Las puntas de los dedos protésicos recubiertas con estos sensores permitían a un amputado de miembro superior identificar diversas sensaciones, incluida la presión.
Los investigadores explican la importancia con un ejemplo cotidiano: cuando una persona sostiene una taza de café, ¿cómo sabe que está a punto de dejarla caer? La palma de la mano y las yemas de los dedos envían señales al cerebro de que la taza se está resbalando. El sistema del equipo está influido por el sistema nervioso: simula los receptores táctiles de la mano para producir señales similares a las nerviosas, de modo que el "cerebro" de la prótesis (su ordenador) entiende si algo está caliente o frío, blando o duro, o si se resbala al agarrarlo.
La tecnología de la nueva mano
El nuevo diseño incorpora piel electrónica en una mano híbrida que imita una mano humana.
El pulgar tiene dos articulaciones de silicona y los dedos, tres. Cada articulación puede flexionarse independientemente. Las articulaciones se conectan a un esqueleto rígido impreso en 3D y se accionan mediante un sistema neumático.
En comparación con las prótesis fabricadas únicamente con componentes blandos, el esqueleto añade resistencia y puede soportar pesos más elevados. Las puntas de los dedos de la mano están recubiertas de parches de E-dermis del tamaño de una uña. Cada dedo se dobla de forma natural, plegándose hacia la palma o estirándose hacia fuera.
La mano se controla mediante señales eléctricas procedentes de los músculos del antebrazo del usuario. Estos dispositivos, denominados prótesis mioeléctricas, se conectan a terminaciones nerviosas vivas situadas sobre el lugar de la amputación. Cuando una persona piensa en mover la mano, un microprocesador traduce las señales nerviosas en órdenes de movimiento.
Una serie de experimentos con voluntarios sanos demostraron la destreza de la mano. Los participantes llevaban un manguito en el antebrazo que captaba las señales eléctricas de sus brazos -similares a las de los amputados- y las transmitía a la mano robótica.
Con un entrenamiento mínimo, los voluntarios fueron capaces de agarrar varios objetos de distintos tamaños, pesos y texturas. La mano cogió suavemente una esponja sin aplastarla y manipuló varias frutas -manzana, naranja, clementina- sin causarles daño. La prótesis también fue capaz de levantar objetos más pesados, como una pequeña estatua de piedra y una botella de agua metálica.
Pero el ejemplo más impresionante, según los investigadores, fue cuando la mano sostuvo un frágil vaso de plástico lleno de agua utilizando sólo tres dedos. La mano no deformó el vaso y no derramó ni una gota de agua.
En conjunto, la mano alcanzó un impresionante índice de precisión del 99,7 por ciento en el manejo de 15 objetos cotidianos diferentes, ajustando rápidamente su agarre para evitar caídas, derrames u otros percances.
Es importante señalar que el dispositivo aún no se ha probado en personas que han perdido una mano, y todavía hay aspectos que mejorar. Añadir una estructura similar a un tendón entre los dedos artificiales podría mejorar su estabilidad. Imitar el movimiento de la mano podría mejorar aún más la flexibilidad. Si se añadieran sensores adicionales, como sensores de temperatura, la mano artificial podría acercarse aún más a las capacidades de la mano humana.
Mejorar la destreza de las manos protésicas es esencial para las prótesis de próxima generación. Las futuras manos robóticas tendrán que integrarse perfectamente en la vida cotidiana y hacer frente a toda la variedad a la que nos enfrentamos. Por eso es tan valioso un robot híbrido, diseñado como una mano humana: combina estructuras blandas y rígidas, igual que nuestra piel, tejidos y huesos.
