La tecnología de prótesis de extremidades ha avanzado a pasos agigantados, ofreciendo a los amputados una variedad de opciones biónicas, que incluyen rodillas artificiales controladas por microchips, pies cargados de sensores impulsados por inteligencia artificial y manos robóticas que un usuario puede manipular con su mente. PeroLos diseños de alta tecnología pueden costar decenas de miles de dólares, haciéndolos inalcanzables para muchos amputados, particularmente en países en desarrollo.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un pie protésico pasivo simple y de bajo costo que pueden adaptar a un individuo. Dado el peso y el tamaño corporal del usuario, los investigadores pueden ajustar la forma y la rigidez del pie protésico, de modo que el usuariocaminar es similar a una marcha apta para el cuerpo. Calculan que el pie, si se fabrica a gran escala, podría costar un orden de magnitud menor que los productos existentes.
Las prótesis diseñadas a medida se basan en un marco de diseño desarrollado por los investigadores, que proporciona una forma cuantitativa de predecir el rendimiento biomecánico del usuario, o el comportamiento de caminar, según el diseño mecánico del pie protésico.
"[Caminar] es algo tan importante para nosotros como humanos, y para este segmento de la población que tiene una amputación de extremidades inferiores, simplemente no hay una teoría para decir, 'así es exactamente cómo debemos diseñar la rigidez y la geometríade un pie para ti, para que puedas caminar como lo desees ", dice Amos Winter, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT." Ahora podemos hacer eso. Y eso es súper poderoso ".
Winter y la ex estudiante de posgrado Kathryn Olesnavage informan detalles de este marco en Transacciones sobre sistemas neuronales y rehabilitación del IEEE. Han publicado sus resultados sobre su nuevo pie protésico en el ASME Journal of Mechanical Design, con el estudiante graduado Victor Prost y el ingeniero de investigación WilliamBrett Johnson.
siguiendo la marcha
En 2012, poco después de que Winter se uniera a la facultad del MIT, Jaipur Foot, un fabricante de extremidades artificiales con sede en Jaipur, India, se le acercó. La organización fabrica un pie protésico pasivo, dirigido a amputados en países en desarrollo, y dona más de28,000 modelos cada año para usuarios en India y otros lugares.
"Han estado haciendo este pie durante más de 40 años, y es resistente, por lo que los agricultores pueden usarlo descalzo al aire libre, y es relativamente realista, por lo que si las personas van a una mezquita y quieren rezar descalzos, sones probable que no se estigmatice ", dice Winter." Pero es bastante pesado y la estructura interna está hecha a mano, lo que crea una gran variación en la calidad del producto ".
La organización le preguntó a Winter si podía diseñar un pie mejor y más liviano que pudiera ser producido en masa a bajo costo.
"En ese momento, comenzamos a preguntarnos, '¿cómo debemos diseñar este pie como ingenieros? ¿Cómo debemos predecir el rendimiento, dada la rigidez del pie y el diseño mecánico y la geometría? ¿Cómo debemos ajustar todo eso para que una persona puedacaminar como queremos que caminen? '", recuerda Winter.
El equipo, dirigido por Olesnavage, primero buscó una forma de relacionar cuantitativamente las características mecánicas de una prótesis con el rendimiento de la marcha del usuario, una relación fundamental que nunca antes se había codificado por completo.
Si bien muchos desarrolladores de pies protésicos se han centrado en replicar los movimientos de pies y tobillos sin discapacidad, el equipo de Winter adoptó un enfoque diferente, en base a su comprensión de que los amputados que han perdido una extremidad debajo de la rodilla no pueden sentir lo que es una prótesispie hace.
"Una de las ideas críticas que teníamos era que, para un usuario, el pie es como una caja negra: no está conectado a su sistema nervioso y no está interactuando íntimamente con el pie", Winterdice.
En lugar de diseñar un pie protésico para replicar los movimientos de un pie sano, él y Olesnavage buscaron diseñar un pie protésico que produjera movimientos de la parte inferior de la pierna similares a los de la parte inferior de una persona sana mientras camina.
"Esto realmente nos abrió el espacio de diseño", dice Winter. "Podemos cambiar drásticamente el pie, siempre que hagamos que la parte inferior de la pierna haga lo que queremos que haga, en términos de cinemática y carga,porque eso es lo que percibe un usuario "
Con la parte inferior de la pierna en mente, el equipo buscó formas de relacionar cómo la mecánica del pie se relaciona con cómo se mueve la parte inferior de la pierna mientras el pie está en contacto con el suelo. Para hacer esto, los investigadores consultaron un conjunto de datos existente que comprendemediciones de los pasos tomados por un caminante sin discapacidad con un tamaño y peso corporal determinado. Con cada paso, los investigadores anteriores habían registrado las fuerzas de reacción al suelo y el centro de presión cambiante experimentado por el pie de un caminante mientras se balanceaba del talón a los pies, a lo largocon la posición y trayectoria de la parte inferior de la pierna.
Winter y sus colegas desarrollaron un modelo matemático de un pie protésico simple y pasivo, que describe la rigidez, el posible movimiento y la forma del pie. Conectaron al modelo las fuerzas de reacción al suelo del conjunto de datos, que podrían resumirpara predecir cómo se traduciría la parte inferior de la pierna de un usuario a través de un solo paso.
Con su modelo, sintonizaron la rigidez y la geometría del pie protésico simulado para producir una trayectoria en la parte inferior de la pierna que estaba cerca del swing sin discapacidad, una medida que consideran un error mínimo en la trayectoria de la parte inferior de la pierna."
"Idealmente, sintonizaríamos la rigidez y la geometría del pie a la perfección para que reproduzcamos exactamente el movimiento de la parte inferior de la pierna", dice Winter. "En general, vimos que podemos acercarnos bastante al movimiento y a la carga sin discapacidad", con una estructura pasiva "
Evolucionando en una curva
Luego, el equipo buscó identificar una forma ideal para un pie protésico de una sola pieza que sería simple y asequible de fabricar, mientras que al mismo tiempo produce una trayectoria de la pierna muy similar a la de los caminantes sin discapacidad.
Para determinar la forma ideal del pie, el grupo ejecutó un "algoritmo genético", una técnica común utilizada para descartar opciones desfavorables, en busca de los diseños más óptimos.
"Al igual que una población de animales, creamos una población de pies, todos con diferentes variables para hacer diferentes formas de curva", dice Winter. "Los cargamos en simulación y calculamos el error de trayectoria de la parte inferior de la pierna. Los que tenían unerror alto, lo matamos "
Aquellos que tenían un error más bajo, los investigadores mezclaron y combinaron con otras formas, para evolucionar a la población hacia una forma ideal, con el error de trayectoria de pierna más bajo posible. El equipo utilizó una curva de Bezier amplia para describir la forma de lapie usando solo unas pocas variables seleccionadas, que fueron fáciles de variar en el algoritmo genético. La forma del pie resultante se parecía a la vista lateral de un tobogán.
Olesnavage e Winter supusieron que, al ajustar la rigidez y la forma de esta curva de Bezier al peso y tamaño del cuerpo de una persona, el equipo debería ser capaz de producir un pie protésico que genere movimientos de pierna similares a caminar sin discapacidades.idea, los investigadores produjeron varios pies para voluntarios en India. Las prótesis fueron hechas de nylon mecanizado, un material elegido por su capacidad de almacenamiento de energía.
"Lo que es genial es que esto no se comporta como un pie sano; no hay tobillo ni articulación metatarsiana; es solo una gran estructura, y lo único que nos importa es cómo se mueve la parte inferior de la pierna a través del espacio", dice Winter"La mayoría de las pruebas se realizaron en interiores, pero un hombre corrió afuera, le gustó mucho. Pone un resorte en su paso".
En el futuro, el equipo se ha asociado con Vibram, una empresa italiana que fabrica suelas de goma: botas de montaña flexibles y zapatillas para correr que parecen pies. La compañía está diseñando una cubierta realista para la prótesis del equipo, que también le daráel pie tiene algo de tracción sobre superficies fangosas o resbaladizas. Los investigadores planean probar las prótesis y cubiertas en voluntarios en India esta primavera.
Winter dice que el diseño simple del pie protésico también puede ser una opción mucho más asequible y duradera para poblaciones como los soldados que desean regresar al servicio activo o los veteranos que quieren vivir un estilo de vida activo.
"Un pie pasivo común en el mercado de EE. UU. Costará de $ 1,000 a $ 10,000, hecho de fibra de carbono. Imagínese que acude a su protésico, toma algunas medidas, nos las devuelve y nosotros le enviamos unpie de nylon diseñado a medida por unos pocos cientos de dólares. Este modelo puede cambiar el juego para la industria, porque podemos cuantificar completamente el pie y ajustarlo para las personas, y usar materiales más baratos ".
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Centro de Tecnología y Diseño del MIT Tata.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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