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11 de março de 2015

Biônica Extrema – Próteses com performance sobrehumana

Como componentes eletromecânicos estão  ajudando deficientes a superar limitações e ir além da natureza através da biônica.

Herr alcançou feitos impressionantes já na infância, como escalar o Monte Temple, de aproximadamente 3544 m de altura, com apenas oito anos. Quando chegou à adolescência, já era considerado um dos melhores escaladores da costa oeste dos EUA pela revista Rock and Ice.

Em janeiro de 1982 Herr, 17 anos, e o amigo Jeff Batzer, 20, preparavam-se para escalar o Monte Washington (1917 m), famoso pelas bruscas mudanças de tempo, localizado no estado americano de Nova Hampshire. A montanha manteve durante 76 anos o recorde da maior rajada de vento medida diretamente na superfície da Terra, 372 km/h, medido por um observatório climático no pico da montanha na tarde de 12 de abril de 1934. Foi esta natureza errática do Monte Washington que mudou para sempre a vida de Hugh Herr.

Hugh Herr fundou o Centro para Biônica Extrema no MIT
Hugh Herr fundou o Centro para Biônica Extrema no MIT

O que começou como uma subida normal e sob condições climáticas favoráveis transformou-se e um pesadelo com ventos de mais de 160 km/h e sensação térmica de -43 ºC. Durante quatro dias os dois sobreviveram fazendo cavernas de gelo e se mantendo abraçados para minimizar a perda de calor. Os dois foram resgatados, mas Herr teve as pernas amputadas abaixo do joelho devido ao congelamento.

Performance sobrehumana

Mesmo com limitações, Herr voltou a escalar após o acidente. E as ravinas rochosas foram os seus primeiros laboratórios. Ele passou a ver um grande potencial em seu novo corpo. À medida que avançava em uma escalada, Herr percebia que seu corpo ficava cada vez mais frio e mais dolorido, mas suas pernas não. Ele era capaz de se mover mais rápido e subir mais alto do que antes, em parte por ter perdido mais de 6 kg na cirurgia.

Durante uma escalada, Herr fez a pergunta que mudou sua vida: “Por que as próteses não podem superar a performance dos membros reais?”

Hugh Herr
Após acordar da cirurgia, uma enfermeira disse a Herr que ele seria capaz de andar utilizando “aquelas coisas chamadas de pernas artificiais”. Andar, não escalar. “Elas eram muito mais rudimentares do que eu imaginava”, disse Herr à REEL Entrepreneurs, “Eu basicamente disse: é isso? Você está brincando comigo?”

Neste momento, ele chegou à conclusão de que não havia razão para que seus novos pés tivessem que, necessariamente, imitar os antigos. Ele sentiu que a tecnologia dos membros artificiais era inadequada, e não o seu corpo. E essa ideia simples, mas poderosa, foi como um chamado para mudar os paradigmas da tecnologia assistiva. Ele poderia cortar os calcanhares para reduzir o peso, aumentar a dureza das pernas onde fosse útil, adicionar pinos para escalada no gelo ou fazer pés estreitos o suficiente para entrar em pequenas reentrâncias.

Depois de um ano, Hugh estava escalando melhor do que nunca: “Eu comecei escalar faces rochosas que eu não conseguiria escalar antes do acidente, com minhas pernas biológicas”, disse ele para a revista de escalada Ascent.

Obtendo sucesso com o desenvolvimento de membros artificiais para escalada, Herr decidiu cursar faculdade com a missão desenvolver tecnologia para ajudar não só a si mesmo, mas a outras pessoas. Durante a graduação, ele cursou matérias de matemática e ciência, além de ter descoberto uma nova paixão: a física. Ele então começou a trabalhar com um fabricante de próteses local em um esforço para melhorar a aderência das pernas artificiais aos seus usuários. Em seguida, ele continuou seus estudos e fez seu mestrado em engenharia mecânica no MIT, um PhD em biofísica em Harvard e, finalmente, pós-doutorado novamente no MIT.

Foi assim que de um escalador profissional que nem cogitava ir à universidade, Herr pivotou para a carreira acadêmica e fundou o Centro para Biônica Extrema no MIT.

Biônica: a interface entre a biologia e o design

Segundo a Organização Mundial da Saúde, cerca de 15% da população mundial, ou seja, mais de 1 bilhão de pessoas, sofre com algum tipo de deficiência motora. Devido à tecnologias ineficientes, essas condições levam muito frequentemente a indivíduos com baixíssima qualidade de vida, principalmente porque, segundo um relatório da ONU, 80% das pessoas com deficiência motora estão localizadas nos países em desenvolvimento.

Cientistas, engenheiros e designers têm observado a natureza através do olhar da ciência para extrair princípios, processos e materiais que estão revolucionando a área: desde materiais sintéticos que mimetizam materiais biológicos até métodos computacionais que emulam processos neurais. Os modelos presentes na natureza inspiram o design, e a recíproca também é verdadeira: no campo da genética, medicina regenerativa e biologia sintética estão surgindo novas tecnologias não existentes na natureza.

Herr acredita que um trabalho muito melhor deve ser feito em biônica para dar reabilitação total a pessoal com lesões deste tipo, e não apenas mantê-los em cadeiras de rodas, como é feito desde o século VIII. O seu trabalho no Centro para Biônica Extrema do MIT Media Lab tem como missão desenvolver ciência fundamental em biomecânica e controle biológico de movimentos, aliada à capacitação tecnológica em prol da reabilitação das funções de uma grande gama de deficiências cerebrais e corporais.

A equipe do laboratório tenta devolver funções biológicas normais a indivíduos que tiveram a mobilidade comprometida devido a traumas ou doenças. O grupo também desenvolve tecnologias que aumentam a performance humana além do que “é previsto pela natureza”. Estes objetivos são alcançados combinando a ciência da neuromecânica celular e de organismos com o design de dispositivos biônicos. O centro inclui estudantes e pesquisadores das áreas de biomecânica, neurociência e biofísica, além de engenheiros mecânicos, biomédicos e de tecidos.

A biônica encabeça a engenharia de interfaces extremas. Nas pernas de Herr existem três interfaces extremas. A mecânica diz respeito a como as suas próteses são anexadas à parte biológica do corpo; a dinâmica a como elas se movem como carne e osso e a elétrica; a elétrica se relaciona a como as próteses se comunicam com o sistema nervoso do usuário.

Funcionamento
A prótese contém um atuador ligado em série com um sistema de suspensão de lâminas de fibra de carbono. Toda a sola do pé é feita em lâminas para fornecer elasticidade. O atuador é composto por um motor DC brushless de 200 W e transmissão ballscrew. Uma bateria lítio-polímero recarregável de 0,22 kg fornece energia para o motor. A prótese tem eficiência de cerca de 67%: 30 J de energia elétrica produzem 20 J de trabalho líquido durante o período de caminhada. A bateria carregada tem autonomia de 4000-5000 passos, o suficiente para caminhar de 4 a 5 km a uma velocidade de 1.75 m/s. – Uma pessoa comum dá em média 3060 ± 1.890 passos por dia.

 

Interface mecânica

Na área de projetos, ainda não há um entendimento completo de como anexar dispositivos ao corpo mecanicamente. Herr afirma ficar surpreso que até hoje não temos ideia de como anexar “coisas” a nossos corpos sem causar desconforto. Os membros biônicos dos usuários são anexados a seus corpos através de peles sintéticas com rigidez variadas, que mimetizam as características biomecânicas dos tecidos biológicos. Para imitar os tecidos naturais, a equipe do MIT Lab desenvolveu um modelo matemático dos membros biológicos de Herr. Para isso, foram usadas ferramentas de imagem, como a ressonância magnética, para olhar dentro do corpo humano e compreender as geometrias e localizações de diferentes tecidos. Eles também utilizaram ferramentas robóticas, como um círculo com 14 atuadores que se encaixam ao redor do membro biológico. Os atuadores se aproximam e tocam a superfície do membro, medindo seu formato natural. Em seguida eles exercem pressão sobre os tecidos para medir a compliância (propriedade inversa à rigidez de um material) em cada ponto anatômico. A equipe então combina os dados para criar uma descrição matemática dos membros biológicos.

A equipe também tem adicionado materiais inteligentes nas peles sintéticas como, por exemplo, um material desenvolvido pelo Stanford Research Institute International que muda de rigidez sob efeito eletrostático. Quando não há tensão aplicada, o material é frouxo, como uma folha de papel. No entanto, quando uma tensão é aplicada, ele se torna rígido. Este material é adicionado às peles sintéticas que unem os membros biônicos aos corpos biológicos dos pacientes. Na sua palestra para o TED, Herr explica que, quando ele anda, não há tensão aplicada, logo a interface é mole e anatômica. No entanto, quando se aperta um botão, tensão é aplicada e a interface então enrijece, oferecendo mais possibilidades de “manobras” com o membro biônico.

Interface dinâmica

A equipe de Herr estuda como seres humanos com fisiologia normal ficam em pé, andam, correm e realizam diversas atividades do cotidiano para desenvolver próteses que se movem como carne e osso. Entender o que os músculos fazem e como eles são controlados pela medula espinhal é fundamental para construir o tipo de membro biônico desenvolvido pela equipe.

Mas como as próteses funcionam? Quando o calcanhar atinge o chão, o sistema controla a rigidez dos materiais para atenuar o impacto do membro com a superfície. O membro biônico fornece torque e potência para erguer a pessoa durante as passadas – algo comparado ao trabalho dos músculos da região da panturrilha. Essa propulsão biônica é muito importante para os pacientes clinicamente pois, ao contrários de próteses passivas, faz com que atividades diárias, como subir as escadas da própria casa, possam ser realizadas da mesma maneira que um indivíduo com funções biológicas normais. Não só isso, mas a biônica também é capaz de feitos atléticos incríveis, como correr sobre superfícies rochosas e, obviamente, escalar montanhas.

Eles também estão trabalhando em exoesqueletos usando os mesmos princípios das próteses. Eles são colocados ao redor de um membro biológico e aplicam torques e potências idênticas aos dos músculos, reduzindo o custo metabólico e protegendo as articulações. Herr comenta que uma pessoa saudável que use o exoesqueleto por 40 minutos, deve sentir suas próprias pernas ridiculamente pesadas e esquisitas ao retirar o aparelho.

Interface elétrica

Por fim, como os membros biônicos se comunicam com o sistema nervoso dos pacientes? Eletrodos são colocados ao redor dos membros residuais dos pacientes. Esses medem o pulso elétrico dos músculos, que são então enviados ao membro biônico. Assim, quando um paciente pensa em mover o membro, a parte robótica rastreia estes sinais.

Através de pesquisa, os pesquisadores foram capazes de criar um modelo do membro biológico faltante. Eles descobriram como os reflexos ocorrem e como os reflexos na medula espinhal controlam os músculos. Assim, incluíram estas capacidades em chips embutidos nos membros biônicos. Após este processo, os pesquisadores passaram a trabalhar em modular a sensibilidade do reflexo e o reflexo espinhal modelado, com o sinal neural. Assim, quando o usuário relaxa os músculos do membro residual, há pouco torque e potência. Porém, quanto mais ele aplica força nos músculos, mais torque é fornecido pelo membro biônico, permitindo até a realização de atividades mais pesadas como a corrida.

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Prótese biônica

 

Futuro dos membros biônicos

Mais de 1000 pacientes já usam as próteses como as de Herr, chamadas BiOMs, dos quais 400 são soldados americanos lesionados em combate. Hoje em dia estas pessoas são capazes de realizar as atividades cotidianas de forma confortável e estável, melhorando consideravelmente sua qualidade de vida. Além disso, um estudo recente da equipe, publicado na Conferência Internacional da Sociedade de Medicina e Biologia em agosto deste ano, visa melhorar a performance das próteses em diferentes terrenos, como rampas e escadas, assim como a melhora na transição entre estes obstáculos através do estudo do controle volitivo (processo cognitivo pelo qual um indivíduo decide a praticar uma ação).

Porém eles querem ir mais longe do que isso, a ideia é estreitar o laço entre os humanos e os membros biônicos externos. Para isso, estão realizando experimentos com o crescimento de nervos através de arranjos de microcanais. O nervo se fixa a células epiteliais e musculares e assim é possível saber como a pessoa quer se mover. Esta informação pode ser enviada via wireless ao membro biônico, fazendo com que seus sensores convertam este estímulo em canais sensoriais. Assim, quando este projeto estiver totalmente desenvolvido para uso humano, pessoas com deficiências, assim como o próprio Herr, não apenas usarão membros biônicos que se movem como carne e osso, mas realmente vão se sentir como se tivessem seus membros biológicos novamente – ou pela primeira vez. ■

Fontes:

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