El escáner 3D Eva se usa para ayudar a desarrollar exoesqueletos ergonómicos

Un grupo de investigación en Bélgica está aumentando las capacidades de los exoesqueletos motorizados personalizando su diseño con la ayuda de escaneo 3D, CAD y la impresión 3D.

Kevin Langlois, investigador de doctorado en Vrije Universiteit Brussel (Universidad Libre de Bruselas), cree que la humanidad está al filo de una revolución tecnológica que radicalmente cambiará nuestra forma de vida. Kevin es miembro del grupo de investigación Robotics & Multibody Mechanics (R & MM) de la universidad, cuya principal área de enfoque es la robótica que puede llevarse puesta, como lo son, por ejemplo, los exoesqueletos motorizados. Kevin cree que la tecnología robótica asistida es una de las principales tecnologías que pueden ayudar a mantener los costos del cuidado de la salud bajo control, ya que contribuye a mantener a las personas móviles, menos dependientes de cuidados externos y disminuye el riesgo de efectos secundarios de la inmovilidad en la salud.

"Los exoesqueletos están aquí y son parte de este próximo cambio fundamental", dice Kevin. "Esta tecnología muestra resultados prometedores en el área de la rehabilitación de lesiones, aumento de potencia humana, y prevención de riesgos y asistencia a las personas en las actividades diarias".

El MIRAD de R&MM, un exoesqueleto de ayuda motorizado, equipado con órtesis ajustables

A pesar de que se ha logrado un notable progreso en este campo de investigación, todavía no se ha resuelto un importante problema: ¿Cómo lograr una perfecta interacción entre un ser humano y su exoesqueleto robotizado? En el nivel mecánico, esta pregunta se reduce a cómo lograr la absoluta compenetración de ambas entidades.

Esta pregunta no es tan fácil de responder ya que cada persona es antropométricamente (dimensiones de los miembros y sus capacidades) y biomecánicamente (la forma en que la persona camina) única. Por ello se requiere de una solución hecha a la medida de cada individuo.

Las soluciones hechas de antemano y listas para usarse no son la mejor opción, según la experiencia de R & MM. Inicialmente el grupo comenzó por adquirir para su investigación órtesis ajustables que se acoplan al cuerpo con correas y soportes. Estos aparatos, sin embargo, se desacomodaban muy frecuentemente por lo que el exoesqueleto presentaba un rendimiento ineficiente.

Luego se encontró una solución alternativa. Se empleó el escaneo en 3D para capturar la anatomía individual del sujeto y el diseño de una órtesis que la replicara de manera precisa. Específicamente, las interfaces físicas del exoesqueleto son escaneadas en 3D, ya que estas son las conexiones mecánicas entre el ser humano y el robot. De esta forma se puede lograr una adherencia más rígida y aumentar la robustez del exoesqueleto sin comprometer la comodidad del usuario. Fue con este propósito que el grupo adquirió el escáner 3D de alta precisión Eva de Artec de manos del socio de Artec de categoría dorada 4C Creative CAD CAM Consultants.

"Actualmente la investigación en esta área no es común. Hasta ahora, la mayoría de la investigación se centró en los fundamentos, actuación y control de estas máquinas. Ahora llega el momento de integrar al ser humano a estos sistemas", dice Kevin. "Por lo tanto, en el laboratorio de R&MM decidimos utilizar la tecnología de escaneo 3D para desarrollar soluciones novedosas".

Un modelo digital de una pantorrilla, hecho con el escáner 3D Eva de Artec

"Ahora utilizamos el Eva de Artec y nos ayuda a diseñar y producir órtesis individualizadas que pueden tener beneficios en comparación con las órtesis ajustables", dice Kevin. "El escáner Eva proporciona un proceso de exploración rápido (menos de 5 minutos) y preciso para compilar una imagen digital del paciente. El uso de este dispositivo de escaneo 3D para producir órtesis requiere de menos tiempo y esfuerzo en comparación con el uso de un molde de yeso ".

Basándose en la literatura biomecánica se pueden estimar el torque - o fuerzas - que deben ser transferidos a las articulaciones del sujeto (tobillo, rodilla y cadera) para proporcionar asistencia durante la marcha, ya que el exoesqueleto MIRAD genera potencia a las articulaciones de cadera, rodilla y tobillo para ambas piernas. Junto con esta información y el conocimiento sobre los umbrales de presión de dolor (PPT), es decir, la presión máxima que un ser humano puede soportar en una región anatómica específica antes de sentir dolor, se puede diseñar un prototipo ortótico.

Una característica clave del agente es el uso de un elemento elástico sintonizable - un resorte con tensión variable - en serie con un accionamiento eléctrico. Sus características son adecuadas para exoesqueletos motorizados: almacenamiento de energía, suministro de potencia de pico aumentado, tolerancia a cargas de impacto y baja impedancia de salida. A diferencia de los agentes "rígidos" convencionales – como los de engranaje –, este agente permite desviaciones de la posición objetivo cuando el usuario aplica fuerzas externas de manera natural.

"El escáner Artec Eva 3D nos permite incorporar todos estos parámetros en una órtesis compacta y ergonómica", dice Kevin.

Escaneo 3D de la pantorrilla de un sujeto en el laboratorio R&MM

Para hacer una órtesis personalizada, Kevin primero selecciona las áreas que necesitan ser capturadas, por ejemplo, la pantorrilla. Luego selecciona uno o más sujetos en los cuales será probada la órtesis. Estos sujetos se escanean y los datos se procesan en el software Artec Studio 3D.

"Generar un archivo .STL desde escaneos es un proceso sencillo dentro de Artec Studio", dice Kevin. "El punto crítico es recopilar escaneos de alta calidad, no dejar huecos en el modelo y facilitar la alineación de los escaneos. La herramienta Sharp Fusion fusionará con precisión los escaneos y generará el modelo final. Concluyo que el software de Artec Studio ofrece una interface intuitiva y potentes herramientas que permiten a científicos e ingenieros realizar investigaciones en el área de la robótica que se lleva puesta".

Diseño digital del prototipo ortótico individualizado

Después del post-procesamiento, el archivo .STL se exporta al software de CAD, donde se diseña un dispositivo ortótico ajustado. El paso final es producir la órtesis utilizando la manufactura aditiva. Luego de que la órtesis ha sido impresa en 3D, se refuerza con fibras de carbono y un compuesto de epoxy.

El uso del escaneo y la impresión 3D es especialmente beneficioso, en contraposición a la utilización de un molde de yeso, ya que permite un registro digital para ser guardado en el archivo. Tener un registro digital ofrece una ventaja desde una perspectiva de diseño, ya que le permite al sujeto a integrar plenamente al humano con el diseño del robot. También proporciona más libertad en las opciones de fabricación o producción de la órtesis, permitiendo el uso de técnicas de fabricación asistida por computador (CAM), como la impresión 3D. Esto a su vez puede potencialmente reducir los costos y mejorar la calidad y aplicabilidad de los productos.

Actualmente se están realizando experimentos para identificar los beneficios de este diseño. "El objetivo de estos experimentos es demostrar la efectividad de las órtesis hechas a la medida basadas en la construcción de un registro digital del sujeto", dice Kevin. "Y un día, la meta será permitir que los seres humanos lleven un exoesqueleto que sea casi invisible para los demás y hasta cierto punto, ¡inclusive para propio portador! La tecnología de escaneado 3D es una herramienta prometedora para lograrlo".