Neuropr�tese de baixo custo: dispositivo que l� mentes passa em testes

Na �ltima d�cada, os aparelhos que substituem membros do corpo evolu�ram muito, e n�o apenas no design. As chamadas neuropr�teses - dispositivos bi�nicos altamente articulados, projetados para detectar sinais musculares residuais e executar movimentos - sa�ram dos laborat�rios e se tornaram uma realidade. Contudo, o pre�o pode chegar a dezenas de milhares de d�lares, al�m do fato de que, constru�das em torno de esqueletos de metal e operadas por motores el�tricos, podem ser pesadas e desconfort�veis.

Para resolver esse problema e poder levar a tecnologia da neuropr�tese a um n�mero maior de pessoas, engenheiros do Instituto Tecnol�gico de Massachusetts (MIT) e da Universidade Jiao Tong, na China, desenvolveram uma m�o inteligente, leve e de baixo custo, al�m de altamente dur�vel, segundo os pesquisadores. O membro artificial foi descrito pelos cientistas na revista Nature Nature Biomedical Engineering.

A m�o inteligente � macia e el�stica e pesa cerca de 0,5kg. O prot�tipo - que ainda ser� aperfei�oado, custou cerca de US$ 500 e, segundo Xuanhe Zhao, professor de engenharia mec�nica do MIT, o valor, que j� � baixo, poder� diminuir significativamente. "H� um enorme potencial para fazer essa pr�tese macia de custo muito baixo, para pessoas de baixa renda que sofreram amputa��o."

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, t�o bem quanto - em alguns casos, at� melhor do que - aqueles com neuropr�teses mais r�gidas, diz Zhao. De acordo com ele, o design � duradouro: no laborat�rio, os cientistas atingiram a pe�a com um martelo e at� passaram com um carro por cima dela, sem que sofresse danos graves.

A m�o artificial � feita de um material macio e el�stico chamado EcoFlex. Ela tem cinco dedos em forma de bal�o, cada um com segmentos de fibra embutidos, semelhantes aos ossos articulados reais. Os d�gitos flex�veis s�o conectados a uma "palma" impressa em 3D, com a forma de uma m�o humana.

Em vez de controlar cada dedo usando motores el�tricos, como a maioria dos dispositivos neuroprost�ticos, os pesquisadores usaram um sistema pneum�tico simples para inflar os dedos com precis�o e dobr�-los em posi��es espec�ficas. O sistema, incluindo uma pequena bomba e v�lvulas, pode ser usado na cintura, reduzindo significativamente o peso da pr�tese. Shaoting Lin, tamb�m do MIT, desenvolveu um modelo de computador para calcular a press�o necess�ria para a execu��o de diversas tarefas.

O sistema pneum�tico baseia-se em EMG - sensores de eletromiografia, que medem os impulsos el�tricos gerados pelos neur�nios motores para controlar os m�sculos. Os sensores s�o colocados na abertura da pr�tese, onde ela se conecta ao membro do usu�rio. Dessa forma, os detectores podem captar sinais de um membro residual, como quando uma pessoa amputada se imagina fechando o punho.

A equipe, ent�o, usou um algoritmo existente que decodifica sinais dos m�sculos e os relaciona a tipos comuns de preens�o. Eles usaram essa sequ�ncia l�gica para programar o controlador do sistema pneum�tico. Quando a pessoa amputada se imagina, por exemplo, segurando uma ta�a de vinho, os sensores captam os sinais musculares residuais, que s�o traduzidos em press�es correspondentes. A bomba aplica essas press�es para inflar cada dedo e produzir a pegada pretendida.

Em seguida, os pesquisadores investiram no feedback t�til - um recurso que n�o � incorporado na maioria dos membros neuroprost�ticos comerciais. Para fazer isso, eles costuraram na ponta de cada dedo um sensor de press�o, que, ao ser tocado ou pressionado, produz um sinal el�trico proporcional � for�a detectada. Cada detector � conectado a um local espec�fico no membro residual da pessoa amputada, para que o usu�rio possa "sentir" quando o polegar da pr�tese � pressionado, por exemplo, contra o dedo indicador.

Para testar a m�o infl�vel, os pesquisadores contaram com a ajuda de dois volunt�rios, cada um com amputa��es de membros superiores. Uma vez equipados com a pr�tese, eles aprenderam a us�-la, contraindo repetidamente os m�sculos dos bra�os enquanto imaginavam fazer cinco pegadas comuns, como segurar uma ta�a.

Depois de completar o treinamento de 15 minutos, os volunt�rios realizaram uma s�rie de testes padronizados para demonstrar a for�a manual e a destreza do equipamento. As tarefas inclu�am empilhar pe�as de damas, virar p�ginas, escrever com uma caneta, levantar bolas pesadas e pegar objetos fr�geis, como morangos. Eles repetiram os mesmos movimentos usando uma m�o bi�nica mais r�gida, dispon�vel comercialmente, e conclu�ram que a infl�vel era t�o boa, ou at� 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 decodifica��o, matrizes mioel�tricas de alta densidade e uma bomba mais compacta, que pode ser usada no pulso. Tamb�m queremos personalizar o design para produ��o em massa, para que consigamos beneficiar a sociedade com a tecnologia rob�tica."

Al�m de um dispositivo mais leve e de baixo custo, pesquisadores do Instituto Tecnol�gico de Massachusetts (MIT) tamb�m est�o buscando solucionar um dos maiores desafios das pr�teses: moviment�-las da mesma forma que o membro natural. A maioria dos artificiais � controlada por meio da eletromiografia, uma forma de captar a atividade el�trica dos m�sculos, mas essa abordagem ainda est� longe da perfei��o.

Agora, um grupo do Media Lab do MIT desenvolveu uma alternativa que, segundo eles, pode resultar em um controle muito mais preciso dos membros prot�ticos. Ao inserir pequenos gr�nulos magn�ticos no tecido residual de uma pessoa amputada, os cientistas podem medir com exatid�o o comprimento de um m�sculo conforme ele se contrai, e esse retorno � transmitido para uma pr�tese bi�nica em milissegundos.

Em um artigo publicado na revista Science Robotics, os pesquisadores testaram a nova estrat�gia, chamada magnetomicrometria (MM), e mostraram que ela pode fornecer medi��es musculares r�pidas e precisas em animais. Eles esperam fazer experimentos com humanos nos pr�ximos anos.

"Nossa esperan�a � que a MM substitua a eletromiografia como forma dominante de conectar o sistema nervoso perif�rico aos membros bi�nicos", destaca Hugh Herr, chefe de Biomecatr�nica no grupo e autor s�nior do artigo. "E temos essa esperan�a devido � alta qualidade do sinal que obtemos do MM e ao fato de ser minimamente invasivo e ter um custo - e obst�culo regulat�rio -baixos."

Com os dispositivos prot�ticos existentes, as medi��es el�tricas dos m�sculos de uma pessoa s�o obtidas por meio de eletrodos, que podem ser fixados na superf�cie da pele ou implantados cirurgicamente no m�sculo. O �ltimo procedimento � altamente invasivo e caro, mas fornece medi��es um pouco mais precisas. No entanto, em ambos os casos, a eletromiografia (EMG) fornece informa��es apenas sobre a atividade el�trica muscular, n�o seu comprimento ou velocidade.

"Quando voc� usa o controle baseado em EMG, est� olhando para um sinal intermedi�rio. Voc� est� vendo o que o c�rebro diz ao m�sculo para fazer, mas n�o o que o m�sculo est� realmente fazendo", diz Herr. A nova estrat�gia 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 pr�tese.

Para isso, os pesquisadores decidiram inserir pares de �m�s nos m�sculos. Ao medir como as pe�as magn�ticas se movem em rela��o umas �s outras, eles conseguem calcular o quanto a musculatura est� se contraindo e a velocidade da contra��o. Com um algoritmo desenvolvido previamente pelo grupo e usando uma s�rie de sensores colocados na parte externa das pernas, eles conseguiram determinar a posi��o dos �m�s com uma precis�o de 37 m�crons (aproximadamente a largura de um cabelo humano), enquanto moviam as articula��es do tornozelo. Essas medi��es podem ser obtidas em tr�s milissegundos.

Nos pr�ximos anos, os pesquisadores esperam fazer um pequeno estudo em pacientes humanos com amputa��es abaixo do joelho. Eles acreditam que os sensores usados para controlar os membros prot�ticos podem ser colocados na roupa, fixados na superf�cie da pele ou na parte externa de uma pr�tese.