Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Newcastle están dando un nuevo significado a la coordinación mano-vista mediante el montaje de una mano biónica con una cámara. Diseñada para dar paso a una nueva generación de extremidades protésicas más inteligentes, la mano que se somete a ensayos clínicos utiliza una cámara de repuesto combinada con el aprendizaje automático para permitir a los pacientes captar objetos automáticamente sin utilizar conscientemente el dispositivo.
Los miembros prostéticos modernos han recorrido un largo camino desde los ganchos o garfios de metal de antaño, pero todavía tienen un largo camino por recorrer. La generación actual son maravillas mecánicas que utilizan sensores mioeléctricos para captar impulsos eléctricos desde el muñón del brazo del paciente para permitirles controlar el movimiento de forma más natural, aunque no es fácil. A pesar de la robótica, nuevos servomotores y sistemas de retroalimentación, usar una mano artificial es algo que requiere concentración, paciencia y práctica.
Eso es porque no controlamos tanto nuestras manos como queremos. Para ver lo que esto significa, hacer algo completamente ordinario, como tomar una taza de café y observar de cerca lo que está haciendo tu mano, la forma en que se acerca a la taza, se centra en el mango, cambia su agarre, guía la taza y el modo de levantarla.
Para una mano normal, todo esto es automático. Simplemente ordenamos que la mano haga lo que queremos, y las partes inferiores del sistema nervioso central hacen todo lo demás. Pero con las manos protésicas, el paciente tiene que decirle constantemente qué hacer porque incluso la mano artificial más sofisticada es menos hábil que un miembro y más una herramienta que requiere instrucciones paso a paso.
Lo que el equipo de la Universidad de Newcastle está tratando de hacer es desarrollar una mano biónica que utiliza una cámara digital de bajo costo para analizar objetos mientras el paciente los alcanza, clasifica su forma y tamaño y adapta su agarre apropiadamente. La idea es que en lugar de que el paciente controle cómo se mueve la mano, la prótesis misma se hace cargo como en el caso de un coche con un modo de estacionamiento automático.
«Los miembros protésicos han cambiado muy poco en los últimos 100 años, el diseño es mucho mejor y los materiales son más ligeros y más duraderos, pero todavía funcionan de la misma manera«, dice el Dr. Kianoush Nazarpour, profesor titular de Ingeniería Biomédica en Universidad de Newcastle. «Usando la visión computerizada, hemos desarrollado una mano biónica que puede responder automáticamente, de hecho, al igual que una mano real, el usuario puede llegar y recoger una taza o una galleta con tan solo un vistazo en la dirección correcta.
«La capacidad de respuesta ha sido una de las principales barreras para los miembros artificiales. Para muchos amputados el punto de referencia es su brazo sano o la pierna de modo que las prótesis, en comparación, parecen lentas y engorrosas. Por primera vez en un siglo, hemos desarrollado una ‘mano intuitiva’ que puede reaccionar sin pensar.”
La clave para la nueva mano es el aprendizaje automático. Para entrenar la mano, se creó lo que se llama Red Neural Convolucional (CNN). Esta red de inteligencia artificial fue entrenada usando 72 imágenes, tomadas a intervalos de cinco grados, de más de 500 objetos sujetos, que luego se separaron en cuatro «clases de agarre»: pellizco, trípode, muñeca palmar neutral y pronación de muñeca palmar. Después de un ajuste afinado, se probó en tiempo real con los objetos de entrenamiento y los nuevos.
«Mostraríamos a la computadora una imagen de, por ejemplo, un palo», dice el principal autor del estudio, Ghazal Ghazaei. «Pero no solo una imagen, muchas imágenes del mismo palo de diferentes ángulos y orientaciones, incluso en la luz diferente y en diferentes orígenes y, eventualmente, el ordenador aprende lo que necesita para agarrar el palo desde un extremo. Está aprendiendo a reconocer objetos y agruparlos de acuerdo con el tipo de agarre que la mano tiene que realizar para recogerlo con éxito. Es esto lo que le permite evaluar con precisión y recoger un objeto que nunca había visto antes. Un gran paso en el desarrollo de las extremidades biónicas «.
En términos prácticos, esto significa que al adjuntar una cámara de 1,17 € a la mano, los ingenieros podrían programarla para reconocer un objeto y seleccionar el agarre adecuado para recogerlo: como la palma y la muñeca de agarre neutral para recoger una taza, o la muñeca y la palma pronada para recuperar un control remoto de TV. Igualmente importante, es que hace esto en milisegundos, es decir, 10 veces más rápido que las prótesis actuales.
Los investigadores dicen que la nueva mano es también más flexible que los sistemas alternativos y más capaz de manejar objetos extraños sin depender de una gigantesca base de datos de imágenes.
Trabajando con el Hospital de Newcastle Upon Tyne NHS Foundation Trust, el equipo está proporcionando la mano a los pacientes en el Hospital Freeman de Newcastle. Sin embargo, la mano biónica y su cámara se ven como una solución intermedia hasta que se puede construir una prótesis más avanzada que incluye sensores sofisticados y es controlada directamente por el cerebro del paciente.
«Es un trampolín hacia nuestro objetivo final», dice Nazarpour. «Pero es importante, es barato y se puede implementar pronto porque no requiere nuevas prótesis, podemos adaptar las que tenemos«.
El proyecto ha sido publicado en el Journal of Neural Engineering.
