Quien pasa el día levantando cajas pesadas en un almacén logístico, quien ya no puede mover las piernas tras un accidente y quien debe aprender a caminar de nuevo después de una operación comparten un mismo deseo. Les gustaría que su cuerpo tuviera un poco más de fuerza. La máquina creada para responder a ese deseo es el «exoesqueleto robótico (Exoskeleton)».
En pocas palabras, un exoesqueleto robótico es un robot que se lleva puesto como una prenda y que aporta fuerza muscular o facilita el movimiento. En biología, el término exoesqueleto designa originalmente la cubierta rígida que recubre el cuerpo de animales como los cangrejos o los insectos. En robótica, se refiere a una estructura mecánica que se coloca por fuera del esqueleto humano.
Este artículo explica de forma sencilla qué son los exoesqueletos robóticos y cómo surgieron, cómo funcionan los sensores y los sistemas de control que interpretan la intención de movimiento, qué tipos existen según su uso y qué problemas se plantean al utilizarlos en la práctica.
Funcionamiento y aplicaciones de los exoesqueletos robóticos
¿Qué es un exoesqueleto robótico?
Un exoesqueleto robótico tiene articulaciones mecánicas alineadas con las articulaciones de la persona y se sujeta al cuerpo con un cinturón y correas para moverse con él. Cuando la persona intenta caminar, el robot acompaña la flexión de la rodilla y la cadera. Si intenta levantar un objeto, el robot aporta fuerza a la zona lumbar y a los brazos.
El primer intento a gran escala fue el «Hardiman», un proyecto que la empresa estadounidense General Electric inició en 1965 con apoyo militar. El proyecto, dirigido por el ingeniero Ralph Mosher, buscaba levantar sin esfuerzo cargas de unos 680 kg. Sin embargo, la propia máquina pesaba unos 680 kg y, al intentar mover todo el cuerpo a la vez, el control se volvía inestable, lo que impidió que una persona la utilizara mientras la llevaba puesta. La investigación concluyó en 1971 y solo se logró probar con éxito un brazo.
Hardiman fracasó, pero dejó una lección importante. Sincronizar con precisión los movimientos de la persona y los de la máquina es mucho más difícil que aumentar la fuerza.
Sensores y control que interpretan la intención de movimiento
La clave de un exoesqueleto robótico es detectar de antemano qué intenta hacer la persona. Para ello, varios sensores registran continuamente las señales del cuerpo.
(1) Sensores de ángulo articular
Los sensores instalados en cada articulación mecánica miden en tiempo real cuánto se flexionan la rodilla y la cadera. Así se determina si la persona está caminando, está de pie o está subiendo escaleras.
(2) Sensores de presión plantar
Los sensores de presión situados en la suela del calzado indican sobre qué pie recae el peso del cuerpo. Esta información ayuda a distinguir el inicio y el final de cada paso.
(3) Sensores electromiográficos
Justo antes de que un músculo se contraiga, se producen señales eléctricas muy débiles en la superficie de la piel. El HAL (Hybrid Assistive Limb), desarrollado por el profesor Yoshiyuki Sankai de la Universidad de Tsukuba, en Japón, es conocido por utilizar estas señales bioeléctricas para detectar la intención de movimiento de quien lo lleva puesto.
(4) Unidad de medición inercial
La unidad de medición inercial (Inertial Measurement Unit) combina un acelerómetro y un giroscopio e indica cuánto se inclina el tronco hacia delante o hacia atrás. Gracias a esta unidad, el robot puede interpretar una ligera inclinación del torso hacia delante como señal de que la persona se dispone a dar un paso.
La información recogida se envía al sistema de control, que indica a los motores o al sistema hidráulico cuánta fuerza deben ejercer. Como este proceso se repite varios cientos de veces en 1 segundo, la persona siente que el robot acompaña sus movimientos como si formara parte de su cuerpo.
Tipos de exoesqueletos robóticos según su uso
Los exoesqueletos robóticos se dividen en varios tipos según cómo generan fuerza y dónde se utilizan.
- Activo (Powered Exoskeleton). Utiliza motores y baterías para mover directamente las articulaciones. Un ejemplo representativo es el robot de uso médico que ayuda a las personas con parálisis de la parte inferior del cuerpo a ponerse de pie y caminar.
- Pasivo (Passive Exoskeleton). Utiliza resortes o materiales elásticos que almacenan fuerza y la devuelven sin necesidad de motores. Como es ligero y económico, se utiliza mucho en fábricas donde se trabaja con los brazos levantados durante períodos prolongados.
- Para rehabilitación (Rehabilitation). Ayuda a pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular o una lesión medular a aprender un patrón de marcha adecuado mediante la práctica repetida.
- Industrial (Industrial). Su objetivo es reducir los trastornos musculoesqueléticos al aliviar la carga que soportan la zona lumbar o los hombros.
En 2014, ReWalk, desarrollado en Israel, recibió la autorización para uso personal de la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (Food and Drug Administration), lo que abrió camino a los exoesqueletos robóticos de uso médico. En Corea del Sur, el «WalkON Suit», desarrollado en colaboración entre investigadores del KAIST y empresas, obtuvo en 2020 las medallas de oro y bronce en la prueba de exoesqueletos robóticos del Cybathlon, una competición internacional de tecnologías de asistencia para personas con discapacidad.
3 retos que deben superar los exoesqueletos robóticos
Los exoesqueletos robóticos avanzan con rapidez, aunque todavía hay obstáculos que superar para que cualquiera pueda llevarlos en su vida cotidiana.
(1) Peso y batería
Para generar más fuerza hacen falta motores y baterías más grandes, lo que aumenta el peso del robot. El mayor reto es crear una fuente de energía ligera que permita utilizarlo durante mucho tiempo.
(2) Diferencias físicas entre las personas
La estatura, la longitud de las piernas y la amplitud de movimiento de las articulaciones varían de una persona a otra. Incluso una ligera desalineación entre los ejes de las articulaciones mecánicas y los de las articulaciones humanas puede provocar rozaduras en la piel o sobrecargar las articulaciones.
(3) Seguridad y coste
Si el robot pierde el equilibrio, la persona que lo lleva también se cae. Además, los modelos de uso médico son muy caros, por lo que a muchas personas todavía les resulta difícil acceder a ellos.
Lo que distingue al exoesqueleto robótico es que aporta fuerza al cuerpo y se mueve con la persona, sin sustituirla. Esta tecnología, que partió del fracaso de Hardiman, ha llegado a un punto en el que puede devolver la alegría de volver a caminar y aliviar el dolor lumbar en el trabajo. A medida que avancen las baterías y la tecnología de los materiales, se espera que los exoesqueletos robóticos se incorporen a situaciones mucho más cotidianas, por ejemplo, como ayudas para que nuestros padres mayores puedan salir a pasear.
El primer paso para desarrollar robots que caminen con las personas es dar prioridad al cuerpo de quien llevará puesta la tecnología por encima de la envergadura de la propia tecnología.
