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 miembros protésicos 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, para levantar el pie y caminar se deben dar cuatro pasos diferentes. Primero, se envían impulsos desde el centro motor del cerebro a los músculos del pie y la pierna . A continuación, las células nerviosas de los pies envían información que proporciona retroalimentación al cerebro y le permite ajustar los grupos musculares o la cantidad de fuerza necesaria para caminar sobre el suelo. Se aplican diferentes cantidades de energía según el tipo de superficie sobre la que se camina. A continuación, las células nerviosas del huso muscular de la pierna detectan y envían la posición del suelo de vuelta al cerebro . Por último, 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 y la fuerza de la extremidad desde la extremidad y el actuador . Los biosensores vienen en una variedad de formas. Pueden ser cables que detectan la actividad eléctrica , electrodos de aguja implantados en los músculos y conjuntos de electrodos con nervios que crecen 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, muchos sensores se están utilizando en escuelas, como la Universidad Case Western Reserve, la Universidad de Pittsburgh, la Universidad Johns Hopkins, entre otras, con el objetivo de registrar estímulos físicos y convertirlos en señales neuronales para un subárea de la biomecatrónica llamada neuromecatrónica.
El controlador de un dispositivo biomecatrónico transmite las intenciones del usuario a los actuadores. También interpreta la información de retroalimentación que le envían los biosensores y los sensores mecánicos. La otra función del controlador es controlar los movimientos del dispositivo biomecatrónico.
El actuador puede ser un músculo artificial, pero también puede ser cualquier parte del sistema que proporcione un efecto externo basado en la entrada de control. En el caso de un actuador mecánico, su función 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 varios actuadores.
La biomecatrónica es un campo en rápido crecimiento, pero por ahora hay muy pocos laboratorios que realicen investigaciones. El Shirley Ryan AbilityLab (anteriormente el 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 hace hincapié en tres áreas principales.
Se necesita un gran análisis del movimiento humano porque éste 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 interconexión permite que los dispositivos biomecatrónicos se conecten con los sistemas musculares y nerviosos del usuario para enviar y recibir información del dispositivo. Se trata de una tecnología que no está disponible en los dispositivos ortopédicos y protésicos convencionales. Los grupos de la Universidad de Twente y la Universidad de Malaya están dando pasos drásticos en este ámbito. Los científicos de estas universidades han desarrollado un dispositivo que ayudará a tratar a las víctimas de parálisis y de derrame cerebral que no pueden controlar su pie al caminar. Los investigadores también están cerca de un avance que permitiría a una persona con una pierna amputada controlar su pierna protésica a través de los músculos del muñón.
Los investigadores del MIT han desarrollado una herramienta llamada sistema MYO-AMI que permite la retroalimentación propioceptiva (detección de la posición) en las extremidades inferiores (piernas, tibia). Otros se centran en la interconexión para las extremidades superiores (Functional Neural Interface Lab, CWRU). Existen enfoques tanto del SNC como del SNP, que se subdividen en técnicas de cerebro, médula espinal, ganglio de la raíz dorsal, nervios craneales y efectores terminales, y algunas técnicas puramente quirúrgicas sin ningún 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 circuito integrado de electrodos de tamiz y dispositivos protésicos que se están acercando cada vez más a imitar el movimiento humano real. Los dos dispositivos protésicos que se están fabricando actualmente controlarán el movimiento de la rodilla y el otro controlará la rigidez de la articulación del tobillo.
Como ya se ha mencionado, Herr y sus colegas crearon un pez robótico que se impulsaba con tejido muscular vivo extraído de ancas de rana. El pez robótico era un prototipo de un dispositivo biomecatrónico con un actuador vivo. Se le dieron las siguientes características al pez: [2]
Los artistas de nuevos medios de la UCSD están utilizando biomecatrónica en piezas de arte escénico, 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, video), en la 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 miembros protésicos que son capaces de replicar la funcionalidad de los apéndices humanos. Entre estos dispositivos se incluyen el "i-limb", desarrollado por la empresa de prótesis Touch Bionics, la primera mano protésica completamente funcional con articulaciones articuladas, [3] así como el Herr's PowerFoot BiOM, la primera pierna protésica capaz de simular los procesos musculares y tendinosos dentro del cuerpo humano. [4] La investigación biomecatrónica también ha ayudado a profundizar en la investigación para comprender las funciones humanas. Investigadores de Carnegie Mellon y North Carolina State han creado un exoesqueleto que reduce el costo metabólico de caminar en aproximadamente un 7 por ciento. [5]
Muchos investigadores biomecatrónicos colaboran estrechamente con organizaciones militares. El Departamento de Asuntos de Veteranos de los Estados Unidos y el Departamento de Defensa 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 tienen dificultades en el mercado de la atención sanitaria debido a los altos costos y la falta de implementación en las pólizas de seguros. Herr afirma que Medicare y Medicaid en particular son importantes "creadores de mercado o disruptores del mercado para todas estas tecnologías", y que las tecnologías no estarán disponibles para todos hasta que se produzca un gran avance. [6] Los dispositivos biomecatrónicos, aunque han mejorado, también enfrentan obstáculos mecánicos, ya que sufren de una potencia de batería inadecuada, una confiabilidad mecánica constante y conexiones neuronales entre las prótesis y el cuerpo humano. [7]