Exoesqueletos, el camino hacia la robotización humana

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Los exoesqueletos robóticos ya no son cosa del futuro. Los modelos, cada vez más avanzados, ofrecen a personas con problemas de movilidad reducida la posibilidad de caminar o usar sus brazos sin necesidad de ayuda. La industria también se beneficia de las bondades de esta tecnología, que permite llevar nuestro cuerpo a extremos, sin necesidad de convertirnos en superhéroes

La escalada de la robotización en el sector de la industria no ha hecho más que comenzar. Este auge es especialmente significativo en las plantas de ensamblaje de la automoción, donde auténticos ejércitos de robots montan a la perfección los vehículos en tiempo récord y sin defectos. Sin embargo, contrariamente a lo que se pudiera pensar, los robots no acabarán con el trabajo de los profesionales a pie de línea de montaje. De hecho, todo parece indicar que las líneas de producción lograrán una integración total del humano y la máquina.

Tanto es así que desde hace unos años, en algunas plantas industriales ya se está probando con éxito la utilidad de acoplar un robot al cuerpo del trabajador. Es lo que se conoce como exoesqueleto o exotraje, que se adhiere a la espalda, los brazos y las piernas del operario. De este modo, le permite levantar y manipular piezas pesadas, reduciendo así su esfuerzo, cansancio y las lesiones que un trabajo de este tipo le puede acarrear.

No obstante, lejos de lo que pudiéramos pensar, los exoesqueletos no son una tecnología nueva; su desarrollo se produjo en la década de 1960, pero fue principalmente con fines militares. En la actualidad, su lógica evolución ha llevado a intentar integrar los exoesqueletos en algunas de las grandes compañías de la automoción, del metal o del ámbito naval, donde sus operarios están probando la utilidad de esta nueva tecnología en sus procesos productivos.

Primeras pruebas en Ford España

Uno de estos casos nos lleva hasta la planta de Ford en Almussafes (Valencia), que se coloca a la vanguardia en cuanto a la realización de pruebas con exoesqueletos, en su línea de montaje.

La utilización de estos dispositivos se concibe como una ayuda a los operarios que ejecutan tareas en las que haya que realizar posturas que puedan resultar problemáticas, desde el punto de vista ergonómico. Están fabricados con fibra de carbono, titanio y otras técnicas de diseño y fabricación que los hacen ligeros y resistentes. Una de sus ventajas es que no dan calor, y pueden ser activos (con motores o hidráulicos), lo que proporciona parte de la energía que necesita el operario de la línea de montaje para moverse y realizar su trabajo, o pasivos, y están indicados sobre todo para poder levantar y manipular piezas que de otro modo resultarían demasiado pesadas.

La planta de Valencia se convierte así en pionera en el sector de la automoción, tanto en número de prototipos de exoesqueleto utilizados, como en la cantidad de horas de uso y número de operarios (unos 100) que se han presentado voluntarios para participar en este proyecto, cuyo objetivo es mejorar las condiciones de trabajo en la línea de montaje.

Los modelos de exoesqueleto que se han venido probando durante los últimos meses responden a dos categorías distintas, buscando un refuerzo en la espalda y en los hombros, respectivamente. Lo que realmente se estudia es el efecto de protección y apoyo contra el cansancio y las lesiones que se pueden producir al llevar a cabo tareas repetitivas, y en las que no se puede recurrir a otras soluciones como los robots colaborativos (cobots).

Detrás de esta iniciativa está la colaboración de Ford con las propias empresas fabricantes de exoesqueletos, y con el equipo de ingenieros que permite adecuar las especificaciones de esta tecnología a las exigentes rutinas de producción de la fábrica de Almussafes.

«Mi trabajo puede ser como ir al gimnasio, y tienes que estar realmente en forma para realizar algunas de las tareas. El exoesqueleto supone una gran diferencia, me siento mucho más fresco al final del turno de trabajo», asegura el operario Ramón Navarrete, que trabaja montando interiores de vehículo.

Los usuarios de los exoesqueletos realizan una gran cantidad de movimientos o manejan piezas incómodas, como depósitos de combustible. Para Israel Benavides, ingeniero responsable del proyecto en Almussafes, «la idea es dar un soporte a los operarios para proteger la espalda cuando tienen que inclinarse hacia delante; se trata de levantar el mismo peso, pero desde una postura más cómoda y redistribuyendo el esfuerzo muscular».

«Automatizar es complicado porque requiere un espacio extra que a veces no existe en una línea de producción, y no puede instalarse una máquina grande o robot. El exoesqueleto tiene una ventaja en ese sentido, ya que permite al operario seguir trabajando», explica Benavides. Además, los exoesqueletos que forman parte de este programa son regulables y pueden ajustarse a las distintas complexiones físicas.

Los próximos meses supondrán un impulso definitivo para este proyecto. Por una parte, a través de la realización de pruebas en la línea de montaje de mayor duración y más intensivas y, por otra, por el inicio de una colaboración con la Universidad Politécnica de Valencia para ampliar estudios en aspectos ergonómicos.

El objetivo final es seleccionar el mejor prototipo, y posteriormente contactar con el ámbito universitario para hacer pruebas de biomecánica, cambio térmico, contracción muscular, etc., con el fin de determinar el efecto final de los exoesqueletos sobre los operarios, los beneficios y las desventajas (antes y después del uso).

En este sentido, Benavides aclara a este respecto que en estos tests no bus-can sólo medir la contracción del grupo muscular al que se destina el exoesqueleto, como pueden ser hombros o espalda, sino ver cómo reacciona todo el cuerpo.

De este modo, la carga se distribuye a los músculos más fuertes. Es decir, este tipo de exoesqueleto no aporta una fuerza «extra», sino que realiza un reparto más equitativo del esfuerzo que se hace al cargar un peso, para reducir la fatiga y el riesgo de lesión, de manera que el esfuerzo se soporta mejor.

En Europa, el 61% de las enfermedades laborales se deben a trastornos musculoesqueléticos, debido a los esfuerzos realizados. Este hecho, unido al envejecimiento de las plantillas, hace necesaria la introducción de las nuevas tecnologías en los procesos de fabricación.

Por otra parte, la compañía automovilística también está trabajando en el ámbito legislativo, puesto que los exoesqueletos todavía no están contemplados en ciertos aspectos, como pueden ser los seguros. Como suele suceder con la tecnología más innovadora, su utilización y práctica llega antes que la normativa y la legislación que pueda existir al respecto.

Exoesqueleto infantil, un éxito de la I+D española

La robótica aplicada a la medicina constituye, sin duda, otro de los campos en los que esta tecnología tiene mucho que ofrecer para mejorar la calidad de vida de las personas. Cada vez conocemos más casos sobre los avances en el diseño de los exoesqueletos biónicos que facilitan la movilidad de aquellas personas con movilidad reducida, o incluso con parálisis en las piernas. En estos casos, el dispositivo, que se acopla a las piernas del paciente, reproduce el funcionamiento del sistema locomotor humano. En este sentido, el exoesqueleto podría cubrir una necesidad vital que actualmente no tiene ninguna solución, además de prevenir las complicaciones derivadas de la pérdida de la movilidad.

Las empresas de ingeniería españolas tienen mucho que aportar. La firma Marsi Bionics, una spin off del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha desarrollado el primer exoesqueleto pediátrico portable del mundo, industrializado en colaboración con la empresa de ingeniería Escribano Mechanical & Engineering, que además ha patrocinado durante el primer año el uso terapéutico de la primera unidad en el Servicio de Rehabilitación y Medicina Física del Hospital Sant Joan de Déu Barcelona.

La empresa Escribano, con sede en Alcalá de Henares, cuenta con 300 trabajadores en su plantilla, de los que casi la mitad son ingenieros y más del 10% doctores. En su apuesta por impulsar el I+D aplicado a la sociedad, destaca su sociedad con Marsi Bionics para llevar a cabo la industrialización y posterior producción en serie del primer exoesqueleto robótico infantil del mundo, que permite demorar el avance de las complicaciones musculo-esqueléticas frecuentes en la Atrofia Muscular Espinal (AME) tipo II. De esta forma, los niños afectados por dicha enfermedad podrán acceder a una nueva terapia centrada en el incremento de la efectividad de la fisioterapia al aportar la capacidad de caminar, algo que hasta hace poco era imposible. La enorme motivación que esto confiere a los niños impacta directamente en la intensidad del ejercicio y la terapia.

El dispositivo pesa unos 14 kilos, pero los niños apenas notan su peso. «El esqueleto se adapta a las condiciones de marcha, y los niños tienen la sensación de flotar», explica Elena García, socia fundadora de Marsi Bionics. Se trata de un cuerpo rígido, unido mediante articulaciones con capacidad de adaptarse al cuerpo humano, con una estructura telescópica que puede modificarse según la altura y el tamaño del usuario. Además, cuenta con sensores que detectan la fuerza, la intención de movimiento e incluso las restricciones del rango articular de cada paciente. Cada pierna del exoesqueleto cuenta con cinco motores, que permiten a los niños impulsarse en cualquier dirección.

El proyecto es un ejemplo de colaboración entre lo público y lo privado para el desarrollo de productos innovadores. Marsi Bionics ha colaborado desde su fundación en 2013 con diversos hospitales y organismos públicos de investigación. «La combinación de clínicos que se hacen preguntas con empresas que intentan solucionarlas es el cóctel perfecto para que las cosas salgan bien», asegura Jaume Pérez Payarols, director de Innovación e Investigación del Hospital Sant Joan de Déu. Marsi Bionics también ha recibido financiación de la Comisión Europea para abordar el proceso de certificación del exoesqueleto pediátrico ATLAS como dispositivo sanitario. La financiación cubre además un nuevo estudio clínico multicéntrico Europeo, coordinado por el Hospital Raymon Poincaré de París en el que participa en España el Hospital Universitario La Paz. El objetivo de este ensayo clínico es demostrar el beneficio del exoesqueleto en la salud de los niños con Atrofia Muscular Espinal de tipo II.

Como reconoce Ángel Escribano, presidente de la empresa Escribano Mechanical and Engineering, es una tecnología cara, lo que supone una barrera para el uso particular, aunque confía en que podrá reducir los costes de fabricación en los próximos años para hacer el tratamiento más accesible. Marsi Bionics también está desarrollando nuevos dispositivos, basados en su tecnología patentada en Europa y Estados Unidos, para abordar nuevos tipos de terapias en personas adultas, como la rehabilitación del ictus o tras un trasplante de rodilla. La ortesis activa MAK se espera que entre en el mercado de los dispositivos médicos a final de 2019.

Exoesqueleto terapéutico

Por otra parte, el pasado mes de febrero, se presentaba el primer exoesqueleto terapéutico que dará servicio en Baleares a pacientes con lesión medular, daño cerebral y otras enfermedades neurológicas. Se trata del primer dispositivo robótico de nueva generación de estas características que se instala en España y el tercero en Europa. Las prestaciones de este modelo único, que tan solo pesa 17 kilogramos, permite atender a pacientes con diferentes medidas y pesos, además de ofrecer la posibilidad de caminar tanto en superficies internas como externas, incluidas aceras, hierba y rampas de poca inclinación, lo que lo convierte en el modelo más versátil del mercado.

El futuro de la medicina robótica será uno de los sectores con mayor crecimiento en la próxima década, junto con la robótica industrial. Y es que el envejecimiento de la población occidental tendrá que conllevar un aumento de los recursos destinados a la investigación sanitaria y de ayuda a las personas mayores. Los expertos aseguran que pronto veremos, de manera habitual, robots acompañantes o exoesqueletos asistenciales.

¿Cómo funciona un exoesqueleto?

Exoesqueleto mecánico, exoesqueleto de potencia, exoesqueleto robótico, o también conocido como servoarmadura, exomarco o exotraje, es una máquina móvil consistente en un armazón externo (comparable al exoesqueleto de un insecto) y un sistema de potencia de motores o hidráulicos, que proporciona al menos parte de la energía para el movimiento de los miembros.

Una serie de sensores biométricos detectan las señales nerviosas que el cerebro envía a los músculos de nuestras extremidades cuando vamos a comenzar a andar. En ese momento, la unidad de procesamiento del exoesqueleto responde a las señales, las procesa y hace actuar al exoesqueleto en una fracción de segundo.

El origen de la palabra exo es griego, y significa fuera. De manera opuesta al esqueleto humano normal, que sostiene el cuerpo desde adentro, un exoesqueleto sostiene al cuerpo desde afuera.

Elementos del exoesqueleto

– Marco:

De forma habitual está fabricado con materiales ligeros, y debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del cuerpo, así como el peso del exoesqueleto y sus componentes.

– Sensores:

Capturan la información sobre cómo el usuario desea moverse. Los sensores pueden ser manuales, como una palanca, o eléctricos, y detectar los impulsos fisiológicos generados por el cuerpo. También pueden estar combinados con dispositivos, como un control remoto y un detector de movimiento, que permite a quien lo usa cambiar el movimiento de caminar a subir escalones, por ejemplo. La información capturada por los sensores es enviada a la computadora para ser analizada.

– Controlador:

Actúa como el cerebro del dispositivo. El controlador es una computadora a bordo, que toma la información capturada por los sensores y controla a los actuadores. La computadora coordina a los distintos actuadores en el exoesqueleto, y permite al exoesqueleto y su usuario, pararse, caminar, moverse, subir o descender.

– Actuadores:

Si el marco es como los huesos del cuerpo, y el controlador es el cerebro, los actuadores actúan como los músculos que ejercen el movimiento; usualmente son motores eléctricos o hidráulicos. Al utilizar la energía de las baterías y la información enviada por la computadora, los actuadores mueven el exoesqueleto y la persona que lo usa.

– Baterías:

Tienen que tener la suficiente potencia para hacer funcionar el exoesqueleto la mayor parte del día y ser fáciles de reemplazar. Las baterías deben ser ligeras y pequeñas para que el exoesqueleto no sea ni pesado ni voluminoso. También deben ser de recarga rápida, para que el dispositivo esté listo al día siguiente para volver a funcionar. Para la adquisición de señales musculares se utilizan electrodos EMG (electromiográficos), puesto que se necesita conocer la posición de cada articulación, con el fin de asignar la nueva posición del exoesqueleto.

El desarrollo y la investigación en el campo de los exoesqueletos involucran diversos ámbitos de la ingeniería electrónica, como los sistemas de comunicación, la instrumentación electrónica, el control y la potencia; así como a grupos interdisciplinarios que aportan otros conocimientos, especialmente en las áreas de la mecánica y la salud.

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