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Estado de Minas TECNOLOGIA E INOVAÇÃO

Neuroprótese de baixo custo: dispositivo que lê mentes passa em testes

Neuroprótese desenvolvida por pesquisadores de EUA e China, recebe a aprovação de voluntários amputados, que conseguem executar tarefas com destreza e precisão


23/08/2021 08:25

(foto: MIT/Divulgação)
(foto: MIT/Divulgação)
Na última década, os aparelhos que substituem membros do corpo evoluíram muito, e não apenas no design. As chamadas neuropróteses - dispositivos biônicos altamente articulados, projetados para detectar sinais musculares residuais e executar movimentos - saíram dos laboratórios e se tornaram uma realidade. Contudo, o preço pode chegar a dezenas de milhares de dólares, além do fato de que, construídas em torno de esqueletos de metal e operadas por motores elétricos, podem ser pesadas e desconfortáveis.

Para resolver esse problema e poder levar a tecnologia da neuroprótese a um número maior de pessoas, engenheiros do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) e da Universidade Jiao Tong, na China, desenvolveram uma mão inteligente, leve e de baixo custo, além de altamente durável, segundo os pesquisadores. O membro artificial foi descrito pelos cientistas na revista Nature Nature Biomedical Engineering.

A mão inteligente é macia e elástica e pesa cerca de 0,5kg. O protótipo - que ainda será aperfeiçoado, custou cerca de US$ 500 e, segundo Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica do MIT, o valor, que já é baixo, poderá diminuir significativamente. "Há um enorme potencial para fazer essa prótese macia de custo muito baixo, para pessoas de baixa renda que sofreram amputação."

Nos testes, pessoas amputadas que usaram o aparelho conseguiram realizar atividades cotidianas, como fechar uma mala, despejar suco em um copo e acariciar um gato, tão bem quanto - em alguns casos, até melhor do que - aqueles com neuropróteses mais rígidas, diz Zhao. De acordo com ele, o design é duradouro: no laboratório, os cientistas atingiram a peça com um martelo e até passaram com um carro por cima dela, sem que sofresse danos graves.

A mão artificial é feita de um material macio e elástico chamado EcoFlex. Ela tem cinco dedos em forma de balão, cada um com segmentos de fibra embutidos, semelhantes aos ossos articulados reais. Os dígitos flexíveis são conectados a uma "palma" impressa em 3D, com a forma de uma mão humana.

Em vez de controlar cada dedo usando motores elétricos, como a maioria dos dispositivos neuroprostéticos, os pesquisadores usaram um sistema pneumático simples para inflar os dedos com precisão e dobrá-los em posições específicas. O sistema, incluindo uma pequena bomba e válvulas, pode ser usado na cintura, reduzindo significativamente o peso da prótese. Shaoting Lin, também do MIT, desenvolveu um modelo de computador para calcular a pressão necessária para a execução de diversas tarefas.

O sistema pneumático baseia-se em EMG - sensores de eletromiografia, que medem os impulsos elétricos gerados pelos neurônios motores para controlar os músculos. Os sensores são colocados na abertura da prótese, onde ela se conecta ao membro do usuário. Dessa forma, os detectores podem captar sinais de um membro residual, como quando uma pessoa amputada se imagina fechando o punho.

Bomba

A equipe, então, usou um algoritmo existente que decodifica sinais dos músculos e os relaciona a tipos comuns de preensão. Eles usaram essa sequência lógica para programar o controlador do sistema pneumático. Quando a pessoa amputada se imagina, por exemplo, segurando uma taça de vinho, os sensores captam os sinais musculares residuais, que são traduzidos em pressões correspondentes. A bomba aplica essas pressões para inflar cada dedo e produzir a pegada pretendida.

Em seguida, os pesquisadores investiram no feedback tátil - um recurso que não é incorporado na maioria dos membros neuroprostéticos comerciais. Para fazer isso, eles costuraram na ponta de cada dedo um sensor de pressão, que, ao ser tocado ou pressionado, produz um sinal elétrico proporcional à força detectada. Cada detector é conectado a um local específico no membro residual da pessoa amputada, para que o usuário possa "sentir" quando o polegar da prótese é pressionado, por exemplo, contra o dedo indicador.

Para testar a mão inflável, os pesquisadores contaram com a ajuda de dois voluntários, cada um com amputações de membros superiores. Uma vez equipados com a prótese, eles aprenderam a usá-la, contraindo repetidamente os músculos dos braços enquanto imaginavam fazer cinco pegadas comuns, como segurar uma taça.

Depois de completar o treinamento de 15 minutos, os voluntários realizaram uma série de testes padronizados para demonstrar a força manual e a destreza do equipamento. As tarefas incluíam empilhar peças de damas, virar páginas, escrever com uma caneta, levantar bolas pesadas e pegar objetos frágeis, como morangos. Eles repetiram os mesmos movimentos usando uma mão biônica mais rígida, disponível comercialmente, e concluíram que a inflável era tão boa, ou até melhor, do que essas.

"Por enquanto, temos quatro tipos de pegadas, mas pode haver mais", diz Lin. "Esse design pode ser aprimorado, com melhor tecnologia de decodificação, matrizes mioelétricas de alta densidade e uma bomba mais compacta, que pode ser usada no pulso. Também queremos personalizar o design para produção em massa, para que consigamos beneficiar a sociedade com a tecnologia robótica."

Ímãs melhoram os movimentos

(foto: MIT/Divulgação)
(foto: MIT/Divulgação)

Além de um dispositivo mais leve e de baixo custo, pesquisadores do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) também estão buscando solucionar um dos maiores desafios das próteses: movimentá-las da mesma forma que o membro natural. A maioria dos artificiais é controlada por meio da eletromiografia, uma forma de captar a atividade elétrica dos músculos, mas essa abordagem ainda está longe da perfeição.

Agora, um grupo do Media Lab do MIT desenvolveu uma alternativa que, segundo eles, pode resultar em um controle muito mais preciso dos membros protéticos. Ao inserir pequenos grânulos magnéticos no tecido residual de uma pessoa amputada, os cientistas podem medir com exatidão o comprimento de um músculo conforme ele se contrai, e esse retorno é transmitido para uma prótese biônica em milissegundos.

Em um artigo publicado na revista Science Robotics, os pesquisadores testaram a nova estratégia, chamada magnetomicrometria (MM), e mostraram que ela pode fornecer medições musculares rápidas e precisas em animais. Eles esperam fazer experimentos com humanos nos próximos anos.

"Nossa esperança é que a MM substitua a eletromiografia como forma dominante de conectar o sistema nervoso periférico aos membros biônicos", destaca Hugh Herr, chefe de Biomecatrônica no grupo e autor sênior do artigo. "E temos essa esperança devido à alta qualidade do sinal que obtemos do MM e ao fato de ser minimamente invasivo e ter um custo - e obstáculo regulatório -baixos."

Algoritmo

Com os dispositivos protéticos existentes, as medições elétricas dos músculos de uma pessoa são obtidas por meio de eletrodos, que podem ser fixados na superfície da pele ou implantados cirurgicamente no músculo. O último procedimento é altamente invasivo e caro, mas fornece medições um pouco mais precisas. No entanto, em ambos os casos, a eletromiografia (EMG) fornece informações apenas sobre a atividade elétrica muscular, não seu comprimento ou velocidade.

"Quando você usa o controle baseado em EMG, está olhando para um sinal intermediário. Você está vendo o que o cérebro diz ao músculo para fazer, mas não o que o músculo está realmente fazendo", diz Herr. A nova estratégia baseia-se na ideia de que, se os sensores pudessem medir a atividade muscular real, essas medidas resultariam em um controle mais preciso de uma prótese.

Para isso, os pesquisadores decidiram inserir pares de ímãs nos músculos. Ao medir como as peças magnéticas se movem em relação umas às outras, eles conseguem calcular o quanto a musculatura está se contraindo e a velocidade da contração. Com um algoritmo desenvolvido previamente pelo grupo e usando uma série de sensores colocados na parte externa das pernas, eles conseguiram determinar a posição dos ímãs com uma precisão de 37 mícrons (aproximadamente a largura de um cabelo humano), enquanto moviam as articulações do tornozelo. Essas medições podem ser obtidas em três milissegundos.

Nos próximos anos, os pesquisadores esperam fazer um pequeno estudo em pacientes humanos com amputações abaixo do joelho. Eles acreditam que os sensores usados para controlar os membros protéticos podem ser colocados na roupa, fixados na superfície da pele ou na parte externa de uma prótese.


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