Expertos de ingeniería biónica de EE UU han desarrollado una pierna para personas amputadas que reproduce la biomecánica de la rodilla, el tobillo y la articulación del dedo del pie. El nuevo dispositivo tiene el mismo peso y tamaño que las prótesis sin motor. Además, no necesita ser recargada durante varios días.
La mayoría de las prótesis de piernas robóticas actuales son demasiado pesadas, voluminosas e ineficientes para su uso cotidiano. Un equipo de investigación de la Universidad de Utah (EE UU) busca resolver este problema con el desarrollo de la primera prótesis de pierna robótica del mundo que tiene el mismo peso y tamaño que las que no tienen motor. La innovación plantea un nuevo horizonte de movilidad para las personas amputadas.
Los autores indican que el nuevo dispositivo es el que más se asemeja a una pierna humana hasta la fecha. Cuenta con articulaciones motorizadas en rodilla, tobillo y dedos del pie, lo que permite al usuario realizar actividades físicas exigentes. Con una autonomía estimada de varios días de uso. Los resultados del trabajo se publican esta semana en Science Robotics.
La Utah Bionic Leg es una prótesis de pierna robótica para personas amputadas por encima de la rodilla. Tiene tres articulaciones activas: la rodilla, el tobillo y el dedo del pie. Cada articulación tiene actuadores robóticos potentes y ligeros, alimentados por una batería integrada. Los actuadores robóticos proporcionan energía del mismo modo que lo hacen los músculos a la pierna humana.
Con este desarrollo es posible realizar actividades fuera del alcance de las prótesis convencionales, como subir escaleras, ponerse en cuclillas o dar zancadas
“A las personas con amputación por encima de la rodilla generalmente se les pone prótesis pasivas en las que la energía necesaria para moverse la debe proporcionar la pierna no amputada. Esto es realmente agotador e ineficiente. Incluso algo tan simple como caminar o ponerse de pie se convierte en todo un desafío, ya que toda la energía proviene de una sola pierna en lugar de dos. Otras actividades, como subir escaleras paso a paso, simplemente no son posibles”, explica a SINC Tommaso Lenzi, coautor del estudio y director del HGN Lab de Ingeniería Biónica en la Universidad de Utah.
La nueva pierna biónica reemplaza la función de la rodilla, el tobillo y el dedo del pie que faltan. Así, una persona amputada puede caminar o ponerse de pie con más facilidad ya que la pierna robótica genera la misma potencia que la pierna biológica no amputada. “Con este desarrollo es posible realizar actividades fuera del alcance de las prótesis convencionales, como subir escaleras, ponerse en cuclillas o dar zancadas”, añade el investigador.
El desarrollo de la Utah Bionic Leg se inspira en el movimiento de la pierna humana para mejorar la autonomía de la prótesis.
En particular, los ingenieros descubrieron que la dinámica pasiva tiene un papel importante en la agilidad y la eficiencia de las piernas humanas, debido a la interacción entre las cargas de inercia y la gravedad para conservar energía en las piernas. El equipo también advirtió que las piernas humanas pueden generar un alto torque y una alta velocidad, pero no al mismo tiempo.
A partir de estos estudios, se diseñó un sistema que adapta pasivamente su configuración a través de resortes y articulaciones para aprovechar la dinámica natural de la marcha. De este modo, los motores y las baterías no necesitan hacer tanto trabajo.
“Estas nuevas tecnologías de actuación son la innovación central de Utah Bionic Leg. Por ejemplo, nuestro pie robótico utiliza un tendón artificial que conecta el tobillo y las articulaciones del dedo del pie, de modo que cuando el dedo del pie se dobla, el tobillo se flexiona, conservando la energía mecánica y reduciendo el consumo de energía eléctrica”, explica Lenzi a SINC.
Durante las pruebas realizadas por tres personas con amputaciones por encima de la rodilla, los resultados mostraron que, incluso cuando el motor de la prótesis estaba apagado, era posible caminar de forma nativa.
“Se estima que la Utah Bionic Leg permitiría dar unos 15.500 pasos con una sola carga de batería. Una cifra superior al promedio de pasos dados por personas con amputación de miembros inferiores, unos 1.500 pasos al día. En personas no amputadas la estimación es de 7.500-10.000 pasos al día”, escriben los autores.
“Por lo tanto, los experimentos sugieren que el dispositivo podría soportar varios días de uso con una sola carga de batería”, indican.
El equipo de la Universidad de Utah ya está buscando la manera de comercializar la innovación. Recientemente, han comenzado a trabajar con Ottobock –la empresa de prótesis más grande del mundo– para desarrollar una nueva generación de prótesis que pueda soportar el uso diario y que supere las pruebas de certificación necesarias con el objeto de llegar al mercado.
“Es difícil predecir cómo de rápido progresaremos, pero si todo sale bien, podríamos lograrlo en unos tres años”, estima Lenzi.
Referencia:
Tran, Minh et al. “A lightweight robotic leg prosthesis replicating the biomechanics of the knee, ankle, and toe joint”. Science Robotics (2022
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