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  • El pie protésico de bajo costo imita la marcha natural

    Los ingenieros del MIT han desarrollado un sencillo bajo costo, pie protésico pasivo que pueden adaptar a un individuo. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts

    La tecnología de prótesis de extremidades ha avanzado a pasos agigantados, dando a los amputados una gama de opciones biónicas, incluyendo rodillas artificiales controladas por microchips, pies cargados de sensores impulsados ​​por inteligencia artificial, y manos robóticas que un usuario puede manipular con su mente. Pero estos diseños de alta tecnología pueden costar decenas de miles de dólares, haciéndolos inalcanzables para muchos amputados, particularmente en los países en desarrollo.

    Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un sencillo bajo costo, pie protésico pasivo que pueden adaptar a un individuo. Dado el peso y el tamaño del cuerpo de un usuario, los investigadores pueden ajustar la forma y la rigidez del pie protésico, de tal manera que el andar del usuario es similar al andar sin discapacidad. Estiman 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 de un usuario, o comportamiento al caminar, basado en el diseño mecánico del pie protésico.

    "[Caminar] es algo tan fundamental para nosotros como humanos, y para este segmento de la población que tiene una amputación de un miembro inferior, simplemente no hay una teoría que podamos decir, 'aquí es exactamente cómo deberíamos diseñar la rigidez y la geometría de un pie para usted, para que camines como 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 los detalles de este marco en Transacciones de IEEE sobre sistemas neuronales y rehabilitación . 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 William Brett Johnson.

    En 2012, poco después de que Winter se uniera a la facultad del MIT, fue abordado por Jaipur Foot, un fabricante de miembros artificiales con sede en Jaipur, India. La organización fabrica una prótesis de pie pasiva, dirigido a personas amputadas en países en desarrollo, y dona más de 28, 000 modelos cada año para usuarios en India y otros lugares.

    "Han estado fabricando este pie durante más de 40 años, y es resistente para que los agricultores puedan usarlo descalzo al aire libre, y es relativamente realista así que si la gente va a una mezquita y quiere rezar descalza, es probable que no sean estigmatizados, "Dice Winter." Pero es bastante pesado, y la estructura interna está hecha todo a mano, lo que crea una gran variación en la calidad del producto ".

    Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts

    La organización le preguntó a Winter si podía diseñar un mejor pie más ligero que podría producirse en serie a bajo coste.

    "En ese punto, empezamos a preguntarnos, '¿Cómo deberíamos diseñar este pie como ingenieros? ¿Cómo debemos predecir el rendimiento? dada la rigidez y el diseño mecánico y la geometría del pie? ¿Cómo deberíamos sintonizar todo eso para que una persona camine de la forma en que queremos que camine? '”, Recuerda Winter.

    El equipo, dirigido por Olesnavage, Primero buscó una manera de relacionar cuantitativamente las características mecánicas de una prótesis con el desempeño al caminar de un usuario, una relación fundamental que nunca antes había sido codificada por completo.

    Si bien muchos desarrolladores de pies protésicos se han centrado en replicar los movimientos de pies y tobillos sanos, El equipo de Winter adoptó un enfoque diferente, basándose en su conocimiento de que los amputados que han perdido un miembro por debajo de la rodilla no pueden sentir lo que hace un pie protésico.

    "Uno de los conocimientos fundamentales que tuvimos fue que, a un usuario, el pie es como una caja negra, no está conectado a su sistema nervioso, y no interactúan íntimamente con el pie, "Dice Winter.

    En lugar de diseñar un pie protésico para replicar los movimientos de un pie sano, él y Olesnavage buscaron diseñar una prótesis de pie que produjera movimientos de la parte inferior de la pierna similares a los de la parte inferior de la pierna de una persona sin discapacidad mientras camina.

    "Esto realmente nos abrió el espacio de diseño, "Dice Winter." Potencialmente podemos cambiar drásticamente el pie, siempre y cuando 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 ".

    Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts

    Pensando en la parte inferior de la pierna, 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 comprende las medidas de los pasos dados por un caminante sin discapacidad con un tamaño y peso corporal determinados. Con cada paso, Investigadores anteriores habían registrado las fuerzas de reacción del suelo y el centro cambiante de presión experimentado por el pie de un caminante cuando se balanceaba desde el talón hasta la punta. junto con la posición y trayectoria de la parte inferior de la pierna.

    Winter y sus colegas desarrollaron un modelo matemático de un simple, pie protésico pasivo, que describe la rigidez, posible movimiento, y forma del pie. Conectaron al modelo las fuerzas de reacción del suelo del conjunto de datos, que podrían resumir para predecir cómo se traduciría la parte inferior de la pierna de un usuario en un solo paso.

    Con su modelo, luego ajustaron la rigidez y la geometría del pie protésico simulado para producir una trayectoria de la parte inferior de la pierna cercana al balanceo para personas sanas, una medida que consideran un "error de trayectoria de la parte inferior de la pierna" mínimo.

    "Idealmente, sintonizaríamos la rigidez y la geometría del pie perfectamente para reproducir exactamente el movimiento de la parte inferior de la pierna, "Winter dice". En general, vimos que podemos acercarnos bastante al movimiento y la carga de personas sanas, 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 fuera simple y asequible de fabricar. sin dejar de producir una trayectoria de pierna muy similar a la de los caminantes sanos.

    Para identificar la forma ideal de un pie, el grupo ejecutó un "algoritmo genético", una técnica común que se utiliza para eliminar las opciones desfavorables, en busca de los diseños más óptimos.

    Dado el peso y el tamaño corporal de un usuario, los investigadores pueden ajustar la forma y la rigidez del pie protésico, de manera que el andar del usuario sea similar al andar sin discapacidad. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts

    "Al igual que una población de animales, hicimos una población de pies, todos con diferentes variables para hacer diferentes formas de curvas, Winter dice. Los cargamos en la simulación y calculamos el error de trayectoria de la parte inferior de la pierna. Los que tuvieron un alto error, matamos. "

    Aquellos que tuvieron un error menor, los investigadores además mezclaron y combinaron con otras formas, evolucionar la población hacia una forma ideal, con el menor error posible en la trayectoria de la parte inferior de la pierna. El equipo usó una amplia curva de Bézier para describir la forma del pie usando solo unas pocas variables seleccionadas, que eran fáciles de variar en el algoritmo genético. La forma del pie resultante se parecía a la vista lateral de un tobogán.

    Olesnavage e Winter pensaron que, ajustando la rigidez y la forma de esta curva de Bezier al peso y tamaño corporal de una persona, el equipo debería poder producir un pie protésico que genere movimientos de piernas similares a los de una persona sana. Para probar esta idea, los investigadores produjeron varios pies para voluntarios en India. Las prótesis estaban hechas de nailon mecanizado, un material elegido por su capacidad de almacenamiento de energía.

    "Lo que es genial es esto no se comporta como un pie sano, no hay articulación del tobillo ni del metatarso, 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 chico salió corriendo le gustó mucho. Pone un resorte en tu paso ".

    Avanzando, 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 empresa está diseñando una cubierta realista para la prótesis del equipo, eso también le dará al pie algo de tracción sobre superficies embarradas o resbaladizas. Los investigadores planean probar las prótesis y las 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 desean llevar un estilo de vida activo.

    "Un pie pasivo común en el mercado estadounidense costará 1 dólar, 000 a $ 10, 000, hecho de fibra de carbono. Imagina que vas a tu protesista, toman algunas medidas, nos las devuelven, y le enviamos un pie de nailon de diseño personalizado por unos cientos de dólares. Este modelo es potencialmente revolucionario para la industria, porque podemos cuantificar completamente el pie y afinarlo para individuos, y utilizar materiales más baratos ".

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




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