Humanos Biónicos

1
Humanos Biónicos
David Juvinao Ramos, [email protected]
Universidad Nacional de Colombia
Para las personas con discapacidades físicas, ya sean de nacimiento o a causa de un accidente, existen
prótesis o implantes que son de gran ayuda para superar la pérdida y su motricidad. Estos implantes eran incómodos,
difíciles de usar y poco prácticos, hasta la intervención de la Electricidad en el desarrollo de estos. Los avances
realizados con ayuda de esta nueva herramienta permitió dar un paso más ante la incapacidad logrando un implante
parcialmente inteligente, que actuaba con las ordenes del cerebro, quien las enviaba a través de los canales nerviosos
en forma de pequeñas corrientes eléctricas. Estas órdenes eran captadas por el implante quien la interpretaba y la
realizaba, devolviéndole a la persona lo que perdió.
1. Introducción
Los nervios humanos, funcionan como redes
eléctricas que transportan una cantidad pequeña de
cargas [2], que son recibidas por los músculos, quienes
actúan de formas diferentes ante cada combinación de
corrientes. De allí se basan los estudios en que los
electrodos sean el componente principal en el
funcionamiento de prótesis neuronales, es decir,
prótesis que sean controladas por las órdenes
cerebrales. A este estudio se le llama Biónica.
imagen de rayos x (Ver Figura 2)- llevan señales
electrónicas a sus nervios auditivos, evitando partes del
oído que no funcionaban.
El niño quien nació sordo, tiene 22 electrodos
dentro de su oído que transforman los sonidos
recogidos por un micrófono en señales eléctricas que
su nervio auditivo puede entender.
Etimología: de bios (“vida”) y ónica, como en
electrónica; el estudio de sistemas mecánicos que
funcionan como organismos vivos o como partes de
ellos.
El microprocesador, o micro, es un circuito
electrónico que actúa como unidad central de proceso
de un ordenador, proporcionando el control de las
operaciones de cálculo. Los microprocesadores
también se utilizan en otros sistemas informáticos
avanzados, como impresoras, automóviles y aviones; y
para dispositivos médicos, etc. El microprocesador es
un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos
integrados (chips) son circuitos electrónicos complejos
integrados por componentes extremadamente pequeños
formados en una única pieza plana de poco espesor de
un material semiconductor.
Figura 1. Aiden Kenny después de recibir sus implantes cocleares
[1].
2. Prótesis neuronales
2.2. El brazo Robot
2.1. Prótesis coclear
Amanda Kitts es una de las personas que ha
recibido un implante para su brazo (Ver Figura 4). Su
brazo biónico consta de dedos de plástico color piel,
debajo de ellos hay tres motores, un armazón de metal
y una sofisticada red electrónica. Hasta arriba de este
montaje hay un recipiente blanco de plástico, a la mitad
del bíceps, rodeando el muñón.
Un implante coclear es un dispositivo implantado
quirúrgicamente que ayuda a superar algunos
problemas de audición cuyo origen está en el oído
interno, o cóclea. La cóclea está conectada al nervio
auditivo. Su función consiste en recoger las señales
eléctricas procedentes de las vibraciones sonoras y
transmitirlas al nervio auditivo, quien a su vez envía
esas señales al cerebro, donde son interpretadas como
sonidos reconocibles.
Aiden Kenny (Ver Figura 1) recibió dos implantes
cocleares cuando tenía 10 meses de edad, a causa de no
poder oír por sí mismo. Los implantes -visibles en una
2
Figura 2. Imagen de los rayos X de los implantes cocleares [1].
Aunque, casi todo el trabajo lo hace ella,
inconscientemente, porque en su cerebro vive una
imagen intacta de ese brazo, un fantasma. Cuando ella
piensa que flexiona el codo, el fantasma se mueve. Los
impulsos que van de su cerebro hacia abajo, en forma
de corriente eléctrica (pues los nervios conducen la
electricidad), a gran velocidad son recogidos por
sensores de electrodos localizados en el recipiente
blanco, donde se convierten en señales eléctricas que
mueven los motores y el codo artificial se dobla [6].
Las primeras investigaciones no podían
detectar tan fácilmente los impulsos eléctricos, pues
son corrientes diminutas, se necesitaba un amplificador
de ellas. Sin embargo, se descubrió que, detecta las
grandes ráfagas eléctricas que producen los músculos
al contraerse, siendo el amplificador necesario para ser
detectado, por un electrodo colocado sobre la piel. Los
biomédicos encargados de la investigación a partir de
allí, usaron una técnica que consistía en desviar los
nervios rotos de las partes dañadas hacia otros
músculos que dieran la intensidad apropiada a las
señales eléctricas.
Figura 3. Caracterización de cada impulso de acuerdo a la orden
del cerebro [1].
Figura 4. Amanda Kitts probando su nuevo brazo biónico [1].
Aunque esto no fue tan sencillo, pues
inicialmente se detectaba una tormenta de ruido
eléctrico, lo cual significo un inconveniente importante
a solucionar. Para la solución hubo que programar un
microprocesador en la prótesis para que atrapara la
señal correcta y la enviara al motor adecuado, y poder
mover exactamente la parte del brazo que el cerebro
daba la orden de mover. El nuevo reto a superar es
poder lograr que el brazo biónico tenga sensibilidad, es
decir, detecte el calor, la presión, etc.
3
Figura 5. Vista 3D del comportamiento del brazo [1].
Figura 6. Ilustración de la conexión cerebro brazo [1].
2.3. Ojo Biónico
Un microprocesador implantado bajo la retina
permite a los ciegos percibir de nuevo la luz y
distinguir formas. El implante está constituido por un
microprocesador del tamaño de la cabeza de una aguja
que comprende 3.500 fotopilas que convierten la luz en
señales eléctricas enviadas al cerebro por el nervio
óptico [4].
Jo Ann Lewis, de 79 años, recibió un nuevo
hardware dentro y alrededor del globo ocular. Este
hardware trabaja con una computadora para transmitir
imágenes al cerebro. La electrónica sortea las células
receptoras de luz dañadas para devolverle a la persona
un vestigio de visión: líneas titilantes, formas vagas,
estelas de colores.
El montaje consta de una cámara de video que
manda las imágenes a una computadora, y esta
convierte el video en una señal simplificada. De ahí
pasa a un transmisor que manda la señal
inalámbricamente al implante en el ojo, que es recibida
por un receptor, quien manda la señal de los impulsos
eléctricos al arreglo de electrodos para estimular la
retina y el nervio óptico lleva la señal al cerebro, el
cual percibe patrones visuales que corresponden a los
electrodos estimulados, permitiendo ver contornos y
algunas formas burdas. Ver Figura 9.
Cada punto de la matriz sujeta a la retina de un
paciente es un electrodo que manda estímulos visuales
al nervio óptico. El arreglo consta de 0.8 centímetros
de largo tiene 60 electrodos. A mayor electrodos mayor
detalle. Ver Figura 7.
Figura 8. Vista cercana del ojo después de instalado el arreglo.
Figura 9. Montaje completo del ojo biónico [1].
4
Figura 12. Prototipo de piel para implantes [1].
Los nanotubos de carbono están dispersos en una
piel flexible de polímeros, donde también se encuentras
los sensores que distinguen entre temperatura y presión
[3]. Las sensaciones se recogen por las terminales
activas de nervios vivos [4].
3.
Figura 10. Paciente después de la cirugía y reconociendo un
contorno [1].
2.4. Piernas Biónicas
Aunque las mismas investigaciones que se siguen
para el brazo biónico, el proceso de los avances en las
prótesis va más avanzado en los que han perdido un
miembro inferior.
Los resortes motorizados del tobillo biónico se
impulsan como un apierna de verdad, se ahorra energía
y se minimizan los problemas en las articulaciones [5].
Conclusiones
•
•
La electricidad y el magnetismo, son las bases
fundamentales en la construcción de una
sociedad para todos sin importar los
inconvenientes físicos [6].
Todo en la naturaleza tiene alguna relación
con los orígenes eléctricos o magnéticos, por
tanto es imprescindible saber los mínimos
conocimientos referentes a estos temas.
Referencias
[1] National Geographic, National Geographic Society,
2010.
[2] Serway, Raymond A., Jewwett, John W. Jr., Física
II, Thomson, México.
[3] Acuña, Ana Lourdes, Robótica y aprendizaje por
diseño, Organización de los Estados Americanos, 2010.
[4] Folgarait, Alejandra, Vida artificial, Editorial Perfil
S.A., 2006.
[5] Ruiz del Solar, Javier, Robótica, Universidad de
Chile, 2008.
[6] Hume, David, La naturaleza humana, McGraw
Hill.
Figura 11. Prótesis de miembros inferiores.
2.5. Diseñar piel biónica
Dentro de pocos años los miembros artificiales
podrían tener piel sensible a la temperatura y al tacto.