La mano biónica que ‘siente’ lo que toca y agarra como un humano

Ingenieros de la Universidad Johns Hopkins han creado una mano prostética pionera que puede agarrar juguetes de peluche, botellas de agua y otros objetos cotidianos como lo haría un ser humano, ajustando cuidadosamente su agarre para evitar dañar o manipular incorrectamente lo que sostiene.

El diseño híbrido del sistema es una novedad para las manos robóticas, que generalmente han sido demasiado rígidas o demasiado blandas para replicar el tacto humano al manipular objetos de texturas y materiales variados. Esta innovación ofrece una solución prometedora para las personas con pérdida de extremidades y podría mejorar la forma en que los brazos robóticos interactúan con su entorno.

«El objetivo desde el principio ha sido crear una mano prostética modelada según las capacidades físicas y sensoriales de la mano humana, una prótesis más natural que funcione y se sienta como una extremidad perdida», afirmó Sriramana Sankar, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica en Johns Hopkins que lideró el trabajo. «Queremos dar a las personas con pérdida de extremidades superiores la capacidad de interactuar de forma segura y libre con su entorno, de sentir y sostener a sus seres queridos sin temor a dañarlos.»

El dispositivo, desarrollado por el mismo laboratorio de neuroingeniería e instrumentación biomédica que en 2018 creó la primera «piel electrónica» con un sentido humano del dolor, cuenta con un sistema de múltiples dedos con polímeros similares al caucho y un esqueleto interno impreso en 3D rígido. Sus tres capas de sensores táctiles, inspiradas en las capas de la piel humana, le permiten agarrar y distinguir objetos de diversas formas y texturas de superficie, más allá de solo detectar el tacto. Cada uno de sus suaves dedos inflados con aire puede ser controlado con los músculos del antebrazo, y algoritmos de aprendizaje automático enfocan las señales de los receptores artificiales del tacto para crear una sensación realista de toque, explicó Sankar.

«La información sensorial de sus dedos se traduce al lenguaje de los nervios para proporcionar retroalimentación sensorial naturalista a través de estimulación eléctrica de los nervios», añadió Sankar.

En el laboratorio, la mano identificó y manipuló 15 objetos cotidianos, incluyendo delicados juguetes de peluche, esponjas de cocina y cajas de cartón, así como piñas, botellas de agua metálicas y otros artículos más resistentes. En los experimentos, el dispositivo alcanzó el mejor rendimiento en comparación con las alternativas, manejando objetos con un 99.69% de precisión y ajustando su agarre según lo necesario para evitar accidentes. Un ejemplo destacado fue cuando levantó con destreza un frágil vaso de plástico delgado lleno de agua, utilizando solo tres dedos sin deformarlo.

«Estamos combinando las fortalezas de la robótica rígida y blanda para imitar la mano humana», concluyó Sankar. «La mano humana no es completamente rígida ni completamente blanda; es un sistema híbrido, con huesos, articulaciones blandas y tejido trabajando en conjunto. Eso es lo que queremos que logre nuestra mano prostética.»

Para ayudar a los amputados a recuperar la capacidad de sentir objetos mientras los agarran, las prótesis necesitarán tres componentes clave: sensores para detectar el entorno, un sistema para traducir esos datos en señales similares a las de los nervios y una forma de estimular los nervios para que la persona pueda sentir la sensación, según Nitish Thakor, profesor de ingeniería biomédica en Johns Hopkins que dirigió el trabajo.

«El objetivo desde el principio ha sido crear una mano prostética basada en las capacidades físicas y sensoriales de la mano humana, una prótesis más natural que funcione y se sienta como una extremidad perdida.»

La tecnología bioinspirada permite que la mano funcione de esta manera, utilizando señales musculares del antebrazo, como la mayoría de las prótesis de mano. Estas señales conectan el cerebro y los nervios, permitiendo que la mano flexione, suelte o reaccione según su sentido del tacto. El resultado es una mano robótica que «sabe» intuitivamente lo que toca, al igual que lo hace el sistema nervioso, dijo Thakor.

«Si estás sosteniendo una taza de café, ¿cómo sabes que estás a punto de dejarla caer? Tu palma y yemas de los dedos envían señales a tu cerebro indicando que la taza se está deslizando», explicó Thakor. «Nuestro sistema es neuronalmente inspirado; modela los receptores del tacto de la mano para producir mensajes similares a los nervios para que el ‘cerebro’ de la prótesis, o su computadora, entienda si algo está caliente o frío, duro o blando, o se resbala del agarre.»

Aunque la investigación es un avance inicial para la tecnología robótica híbrida que podría transformar tanto prótesis como robótica, se necesita más trabajo para refinar el sistema, agregó Thakor. Las futuras mejoras podrían incluir fuerzas de agarre más fuertes, sensores adicionales y materiales de grado industrial.

«Esta destreza híbrida no es solo esencial para las prótesis de próxima generación», concluyó Thakor. «Es lo que las manos robóticas del futuro necesitan porque no solo manejarán objetos grandes y pesados. Tendrán que trabajar con materiales delicados como vidrio, tela o juguetes suaves. Por eso, un robot híbrido, diseñado como la mano humana, es tan valioso; combina estructuras blandas y rígidas, al igual que nuestra piel, tejido y huesos.»