La biomecatrónica es una ciencia interdisciplinaria aplicada que tiene como objetivo integrar la biología y la mecatrónica ( ingeniería eléctrica , electrónica y mecánica ). También abarca los campos de la robótica y la neurociencia . Los dispositivos biomecatrónicos cubren una amplia gama de aplicaciones, desde el desarrollo de prótesis hasta soluciones de ingeniería relacionadas con la respiración, la visión y el sistema cardiovascular. [1]
La biomecatrónica imita el funcionamiento del cuerpo humano. Por ejemplo, deben darse cuatro pasos diferentes para levantar el pie y caminar. Primero, los impulsos del centro motor del cerebro se envían a los músculos del pie y de la pierna . Luego, las células nerviosas de los pies envían información, proporcionando retroalimentación al cerebro, permitiéndole ajustar los grupos de músculos o la cantidad de fuerza necesaria para caminar por el suelo. Se aplican diferentes cantidades de energía según el tipo de superficie sobre la que se camina. Las células nerviosas del huso muscular de la pierna detectan y envían la posición del suelo al cerebro . Finalmente, cuando se levanta el pie para dar un paso, se envían señales a los músculos de la pierna y el pie para que lo bajen.
Los biosensores detectan lo que el usuario quiere hacer o sus intenciones y movimientos. En algunos dispositivos, la información puede ser transmitida por el sistema nervioso o muscular del usuario . Esta información es relacionada por el biosensor a un controlador , que puede estar ubicado dentro o fuera del dispositivo biomecatrónico. Además, los biosensores reciben información sobre la posición de la extremidad y la fuerza de la extremidad y del actuador . Los biosensores vienen en una variedad de formas. Pueden ser cables que detectan actividad eléctrica , electrodos de aguja implantados en músculos y conjuntos de electrodos con nervios creciendo a través de ellos.
El propósito de los sensores mecánicos es medir información sobre el dispositivo biomecatrónico y relacionar esa información con el biosensor o controlador. Además, en escuelas como la Universidad Case Western Reserve, la Universidad de Pittsburgh, la Universidad Johns Hopkins, entre otras, se están utilizando muchos sensores con el objetivo de registrar estímulos físicos y convertirlos en señales neuronales para una subárea de la biomecatrónica llamada neuromecatrónica.
El controlador de un dispositivo biomecatrónico transmite las intenciones del usuario a los actuadores. También interpreta al usuario información de retroalimentación que proviene de los biosensores y sensores mecánicos. La otra función del controlador es controlar los movimientos del dispositivo biomecatrónico.
El actuador puede ser un músculo artificial, pero puede ser cualquier parte del sistema que proporcione un efecto externo basado en la entrada de control. Para un actuador mecánico, su trabajo es producir fuerza y movimiento. Dependiendo de si el dispositivo es ortopédico o protésico, el actuador puede ser un motor que asiste o reemplaza el músculo original del usuario. Muchos de estos sistemas en realidad implican múltiples actuadores.
La biomecatrónica es un campo en rápido crecimiento, pero actualmente hay muy pocos laboratorios que realicen investigaciones. El Shirley Ryan AbilityLab (anteriormente Instituto de Rehabilitación de Chicago ), la Universidad de California en Berkeley , el MIT , la Universidad de Stanford y la Universidad de Twente en los Países Bajos son los líderes en investigación en biomecatrónica. En la investigación actual se enfatizan tres áreas principales.
Se necesita una gran cantidad de análisis sobre el movimiento humano porque el movimiento humano es muy complejo. El MIT y la Universidad de Twente están trabajando para analizar estos movimientos. Lo están haciendo mediante una combinación de modelos informáticos , sistemas de cámaras y electromiogramas .
La interfaz permite que los dispositivos biomecatrónicos se conecten con los sistemas musculares y nerviosos del usuario para enviar y recibir información del dispositivo. Esta es una tecnología que no está disponible en los dispositivos ortopédicos y protésicos comunes . Grupos de la Universidad de Twente y la Universidad de Malaya están tomando medidas drásticas en este departamento. Los científicos han desarrollado un dispositivo que ayudará a tratar a las víctimas de parálisis y accidentes cerebrovasculares que no pueden controlar el pie mientras caminan. Los investigadores también se están acercando a un gran avance que permitiría a una persona con una pierna amputada controlar su prótesis de pierna a través de los músculos del muñón.
Investigadores del MIT han desarrollado una herramienta llamada sistema MYO-AMI que permite la retroalimentación propioceptiva (detección de posición) en las extremidades inferiores (piernas, transtibial). Otros más se centran en la interfaz para la extremidad superior (Functional Neural Interface Lab, CWRU). Existen abordajes tanto del SNC como del SNP que se subdividen en técnicas de cerebro, médula espinal, ganglio de la raíz dorsal, nervios espinales/craneales y efectores finales y algunas técnicas puramente quirúrgicas sin componente de dispositivo (consulte Reinervación muscular dirigida).
Hugh Herr es el principal científico biomecatrónico del MIT . Herr y su grupo de investigadores están desarrollando un electrodo de circuito integrado de tamiz y dispositivos protésicos que cada vez imitan más el movimiento humano real. Los dos dispositivos protésicos actualmente en desarrollo controlarán el movimiento de la rodilla y el otro controlará la rigidez de la articulación del tobillo.
Como se mencionó anteriormente, Herr y sus colegas crearon un pez robótico impulsado por tejido muscular vivo extraído de ancas de rana. El pez robótico era un prototipo de dispositivo biomecatrónico con un actuador viviente. A los peces se les dieron las siguientes características. [2]
Los artistas de los nuevos medios de la UCSD están utilizando la biomecatrónica en obras de arte performance, como Technesexual (más información, fotos, video), una performance que utiliza sensores biométricos para unir los cuerpos reales de los artistas con sus avatares de Second Life y Slapshock (más información , fotos,vídeo), en el que se utilizan unidades médicas TENS para explorar la simbiosis intersubjetiva en las relaciones íntimas.
La demanda de dispositivos biomecatrónicos está en su punto más alto y no muestra signos de desaceleración. Con el creciente avance tecnológico en los últimos años, los investigadores biomecatrónicos han podido construir prótesis que son capaces de replicar la funcionalidad de los apéndices humanos. Dichos dispositivos incluyen el "i-limb", desarrollado por la empresa de prótesis Touch Bionics, la primera prótesis de mano con articulaciones articuladas en pleno funcionamiento, [3] así como el PowerFoot BiOM de Herr, la primera prótesis de pierna capaz de simular procesos de músculos y tendones dentro del cuerpo humano. [4] La investigación biomecatrónica también ha ayudado a seguir investigando hacia la comprensión de las funciones humanas. Investigadores de Carnegie Mellon y del estado de Carolina del Norte han creado un exoesqueleto que reduce el costo metabólico de caminar en alrededor de un 7 por ciento. [5]
Muchos investigadores biomecatrónicos colaboran estrechamente con organizaciones militares. El Departamento de Asuntos de Veteranos y el Departamento de Defensa de EE. UU. están otorgando fondos a diferentes laboratorios para ayudar a los soldados y veteranos de guerra. [2]
Sin embargo, a pesar de la demanda, las tecnologías biomecatrónicas luchan en el mercado de la salud debido a los altos costos y la falta de implementación en las pólizas de seguro. Herr afirma que Medicare y Medicaid específicamente son importantes "interruptores o creadores de mercado para todas estas tecnologías", y que las tecnologías no estarán disponibles para todos hasta que logren un gran avance. [6] Los dispositivos biomecatrónicos, aunque mejorados, también enfrentan obstrucciones mecánicas, debido a una energía de batería inadecuada, una confiabilidad mecánica constante y conexiones neuronales entre las prótesis y el cuerpo humano. [7]