Exotrajes para rehabilitación. Retos y primeros pasos

La extensión de la robótica a múltiples aplicaciones más allá de la fábrica es una realidad desde hace años, pero tal vez su incursión en el campo de la medicina y la rehabilitación sea una de las aplicaciones que causan un impacto más positivo en la percepción que la sociedad tiene de la tecnología robótica. La ingeniería de rehabilitación ha llevado a cabo un gran esfuerzo para desarrollar tecnologías que sirvan de ayuda en la recuperación de la movilidad en miembros superiores o inferiores. En este contexto, los exoesqueletos robóticos han experimentado un enorme desarrollo en las dos últimas décadas, con muchos grupos de investigación y empresas dedicando importantes esfuerzos al diseño de nuevos sistemas orientados a la rehabilitación o a la compensación funcional de disfunciones motoras. Aunque se han conseguido grandes avances que han permitido llevar algunos exoesqueletos al mercado, puede considerarse aún una tecnología inmadura, con muchos retos tecnológicos sin resolver y que todavía plantea muchos interrogantes sobre su utilidad en el ámbito terapéutico.

Desde el punto de vista científico-tecnológico, los exoesqueletos robóticos plantean un sinfín de retos a la comunidad científica. Más allá de la complejidad propia de cualquier sistema robótico, en el caso de los exoesqueletos, los requisitos de diseño vienen fuertemente determinados por su interacción con el cuerpo humano. Son sistemas ‘wearable’ que operan sobre el cuerpo y, en consecuencia, todos los aspectos de su diseño están condicionados por una estrecha interacción humano-robot. Para resolver los problemas de diseño mecatrónico, sensorización o control de estos dispositivos, el conjunto humano-robot debe considerarse como un todo.

Un requisito fundamental en el diseño mecánico de los exoesqueletos es que su estructura mecánica debe acoplarse adecuadamente al usuario, no solo con el objetivo de transmitir de forma eficiente las fuerzas requeridas para el movimiento, sino también para asegurar su comodidad y seguridad cuando porta el exoesqueleto. Conseguir la compatibilidad cinemática del exoesqueleto con el usuario es un problema complejo, el cuerpo humano tiene articulaciones cuyo eje de rotación no mantiene una dirección fija durante el movimiento y que no son directamente reproducibles en un sistema robótico externo. Problemas como la desalineación de los ejes de movimiento entre el exoesqueleto y las articulaciones del usuario durante el movimiento dificultan el seguimiento de las trayectorias requeridas, provocan pérdidas en la transmisión eficiente de las fuerzas y restan confortabilidad al uso del dispositivo. Un problema añadido es la gran variabilidad de los parámetros biomecánicos, ya que cada persona tiene dimensiones diferentes y, en el caso de algunas patologías, las estructuras musculoesqueléticas de los usuarios pueden presentar variaciones fuera de los rangos esperables, esto dificulta la adaptación de la estructura mecánica del exoesqueleto. La adaptabilidad y facilidad de uso es una cuestión fundamental para que estos dispositivos sean usados como una tecnología de asistencia más, el objetivo es conseguir un robot vestible y que sea fácilmente adaptable a los diferentes pacientes y terapias.

Algunas de las soluciones que se han planteado por diversos grupos de investigación en los últimos años para favorecer la compatibilidad cinemática y la confortabilidad de los exoesqueletos se orientan hacia el uso de la robótica blanda y, en último extremo, al diseño de lo que se ha dado en llamar exotrajes (“exosuits”) o trajes activos. En estos sistemas se persigue eliminar en todo lo posible las estructuras rígidas, sustituyéndolas por textiles o materiales blandos que se adaptan de una forma más adecuada a la cinemática del cuerpo humano. El diseño de exotrajes está estrechamente ligado con la robótica blanda, utilizando materiales deformables y diseños biomiméticos que replican el comportamiento de los tejidos orgánicos. Con este nuevo enfoque se busca dar el salto en los robots portables desde dispositivos rígidos, pesados e incómodos a dispositivos motorizados ligeros, flexibles y cómodos.

Aunque el concepto es muy prometedor y, en primera instancia, puede parecer la solución más natural en las aplicaciones de rehabilitación, las todavía escasas investigaciones realizadas en este campo han puesto de manifiesto la enorme dificultad que conlleva el diseño de un exotraje de rehabilitación realmente eficaz. Se combinan en el mismo sistema las dificultades de diseño mecánico y control de la robótica blanda con los retos aún no resueltos de los exoesqueletos relacionados con la interacción natural humano-robot, la usabilidad y su utilidad terapéutica.

Para conseguir un sistema realmente ligero, flexible y adaptable al cuerpo humano, como un exotraje, no solo se necesitan materiales blandos para su estructura, se requiere que el resto de componentes como sensores y actuadores sean integrables en esta estructura flexible. En consecuencia, una de las principales limitaciones a la hora de desarrollar un exotraje es el desarrollo de un actuador adecuado. El elevado peso y tamaño de las tecnologías convencionales, como motores DC o actuadores neumáticos, limitan su integración. Entre las soluciones más comunes hasta el momento, varios grupos de investigación han optado por la integración de actuadores neumáticos, su naturaleza flexible y su bajo peso son sus ventajas fundamentales, aunque requieren compresores o depósitos de aire comprimido. Otra solución habitual es el uso de mecanismos accionados por cables basados en motores de CC. En ambos casos, los sistemas de accionamiento suelen alojarse en una caja situada en la espalda del paciente/usuario, que a menudo pesa más de 3,5 kg, lo que requiere un buen estado funcional del paciente para su uso. En los últimos años, los actuadores basados en SMA (Shape Memory Alloys) debido a su flexibilidad, su gran ratio entre fuerza y peso y su reducido volumen, se han erigido como una excelente alternativa a los sistemas convencionales en la robótica blanda, y más específicamente como sistemas de actuación para exotrajes, donde su funcionamiento silencioso y su reducido precio constituyen ventajas adicionales. 
 

Un problema adicional que plantea la integración en el exotraje de los actuadores flexibles sobre la base textil, y del conjunto sobre el cuerpo humano, es el anclaje del sistema. Al eliminar la estructura rígida, la asistencia al movimiento se lleva a cabo aplicando fuerzas de tracción sobre el cuerpo por medio de la tensión de los actuadores. Sin embargo, la flexibilidad del tejido o material blando sobre la que se integra el actuador origina desplazamientos y pérdidas en la fuerza transmitida, induciendo errores difícilmente modelables que complican el control del sistema. Por otro lado, el dispositivo debe ser capaz de transmitir la fuerza requerida para estabilizar o mover las extremidades o aumentar la fuerza de un usuario humano dependiendo de su aplicación. En cualquier caso, se requieren puntos de contacto humano-robot que, evidentemente, no pueden ser anclajes fijos al cuerpo. La fijación del dispositivo, permitiendo el movimiento más natural posible a la vez que asegura la actuación del robot sobre el cuerpo humano, plantea problemas específicos de diseño mecánico y la búsqueda de elementos de fijación que a la vez sean confortables, seguros y eficientes.

Actualmente, los dispositivos de rehabilitación integran principalmente sensores comerciales de posición, generalmente basados ​​en potenciómetros lineales o sensores de efecto Hall, o de fuerza. Estos sensores deben alojarse fuera de la articulación y constituyen una limitación más a la flexibilidad y adaptabilidad de los exotrajes. Esto reduce la compacidad del robot y requiere un mayor esfuerzo en la integración del sistema. En este contexto, existe una creciente necesidad de investigar nuevos materiales con capacidades sensoriales que puedan integrarse en los materiales textiles de los exotrajes. Un enfoque en este sentido es el desarrollo de sensores flexibles/extensibles. Entre los materiales objeto de análisis destacan las nanofibras de carbono, los hilos de nylon recubierto de plata o los propios hilos de SMA. Todos ellos varían sus propiedades eléctricas en función de la deformación o de la fuerza a la que son sometidos, en consecuencia, pueden ser usados como sensores de posición o fuerza integrables en los exotrajes. La investigación en sensores textiles está enfocada a la caracterización de su comportamiento eléctrico y a la posibilidad de desarrollar sensores que puedan tejerse sobre el material del exotraje proporcionando una solución completamente flexible para el sistema sensorial.

Como hemos puesto de manifiesto, el diseño de exotrajes plantea grandes retos de ingeniería en muchos aspectos. A día de hoy son más los problemas a resolver que las soluciones con aplicación real en el campo de la robótica de rehabilitación y los exotrajes de rehabilitación que están desarrollando grupos de investigación de todo el mundo se encuentran todavía en fases muy preliminares. Esto no es, sin embargo, motivo para descartarlos. El futuro en muchas aplicaciones de rehabilitación ha de pasar sin duda por sistemas más confortables, que se adapten mejor a los pacientes para favorecer su usabilidad. En las fases tempranas de las terapias de rehabilitación, para pacientes pediátricos o con condiciones que les impidan acceder a terapias robóticas más convencionales, los exotrajes aportan ventajas de confortabilidad y adaptabilidad que ningún otro sistema puede alcanzar. Aunque todavía queda mucho camino por recorrer, sin duda, los exotrajes deben convertirse en una solución robótica para rehabilitación y asistencia que permita una interacción más natural con el paciente.

M. Dolores Blanco Rojas

Catedrática del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

Universidad Carlos III de Madrid

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Este artículo aparece publicado en el nº 566 de Automática e Instrumentación págs 22 a 24.