Robotics: Top Prosthetic Limbs Bring Hope to Amputees

In the aftermath of the Boston Marathon bombing, the photo of Jeff Bauman Jr. being rushed to the hospital shortly after having his legs blown off brought us face to face with the grim reality that many victims of this tragedy would be undergoing limb amputation.
With the Modular Prosthetic Limb, researchers from Johns Hopkins University Applied Physics Lab have successfully demonstrated the possibilities of controlling artificial limbs simply by thought. 

JOHNS HOPKINS UNIVERSITY APPLIED PHYSICS LAB

But advances in prosthetic technologies over the last thirty years have far surpassed the crude, wooden models that once made having artificial limbs such a nuisance. In fact, today’s robotic and bionic devices are giving amputees nearly full restoration of their lost limbs.
Hugh Herr, head of the biomechatronics research group at MIT Media Lab and double leg amputee, says he predicts “bionics will catch on like wildfire.”
“It’s a win for the patient. It’s a win for the healthcare supplier and it’s a win for the payer,” Herr told Discovery News. “Right now the payers think that high tech is expensive and should be avoided. I’m trying to change that paradigm.”
While bionic prosthetics are more expensive on a device-by-device basis, Herr says they can help reduce secondary disabilities such as hip arthritis, knee arthritis and lower back pain that amputees often develop from using prosthetic limbs.
“Those secondary disabilities are what drive up health care costs,” he said. “If you can emulate nature, if you can truly replace a limb after amputation, those secondary disabilities will never emerge and that person will remain healthy for their entire life and won’t have these astronomically high health care payouts.”
Foot and ankle prosthetics have come a long since the SACH, the Solid Ankle, Cushion Heel, developed in the mid-1950s.

WILLOW WOOD

Herr says there have been three eras in prosthetic limb technology. First was the SACH foot era, which stands for Solid Ankle, Cushion Heel. Developed in the mid-1950s, the foot typically had a wood core, with a foam and rubber outer shell. While the artificial foot gave patients more stability, it offered little lateral movement.
“Foot-ankle prosthesis you could characterize as related to energy return during the push-off phase,” Herr said. “The SACH foot basically stores little to no energy, nor returns little to no energy,”
New models of the SACH foot with titanium cores are still used today, but are only recommended for patients with a low activity level.

The carbon graphite technology in the Flex Foot essentially puts a spring in the wearers step.

 

JULIAN FINNEY/GETTY IMAGES

For hundreds of years, prosthetic feet that were fundamentally similar to the SACH foot were widely used. During the 1980s, a new era began, when Herr says the Flex Foot carbon design changed that paradigm.
Developed by Van Phillips in 1984, Flex Foot’s carbon graphite technology essentially put a spring in the wearers step. By storing the kinetic energy of each step, the artificial foot allowed amputees to jump, walk and run at speeds of up to 28 feet per second. The Flex-Foot Cheetah blade is the technology’s most high performance model and primarily used for people with below-knee amputations. Though the cheetah blades allow wearers to run like the wind, Herr says carbon prosthetics still don’t provide a normal level of energy return.

The BiOm Ankle System is the first bionic ankle-foot device commercially available for lower-extremity amputees.

 

IWALK INC.

The third era is robotics or bionics, in which there’s an energy source and an actuator in the artificial limb that can produce energies greater than what a spring can produce. “For legs, we’ve just entered that era,” said Herr, whose BiOm Ankle System is a leader in the field.
As the first bionic ankle-foot device commercially available for lower-extremity amputees, the BiOm Ankle System reestablishes the biomechanics of the ankle-foot function across all walking speeds. The system’s comprehensive design emulates the muscles and tendons of the human ankle joint and puts forth more mechanical energy than it absorbs. This allows amputees to walk with a more natural gait at their own chosen speed, using the same amount of energy as a non-amputee.
Using three computers and six sensors BiOM’s processors are able to adjust stiffness in the ankle, spring equilibrium and propulsive torque 500 times a second. When an increase in torque is detected in the ankle joint, an actuator helps trigger more torque to modulate the foot’s push-off power, even at different velocities and inclines.

Icelandic company Ossur introduced their Symbionic Leg in 2011 as the world’s first complete bionic leg.

 

OSSUR

Ossur, the Icelandic company behind the cheetah blades, introduced their Symbionic Leg in 2011 as the world’s first complete bionic leg. It’s a combination of Ossur’s Rheo Knee and Proprio Foot.
Integrated sensors in the polyurethane knee monitor the weight, motion and force and onboard microcontrollers process that data while tracking gait patterns. An actuator interprets that data and initiates appropriate resistance in the knee joint whether a person is standing still, turning a corner or walking in a straight line.
The foot design is based on Flex-Foot technology and incorporates lightweight, durable carbon fiber packaged with Terrain Logic, an onboard artificial intelligence system that calculates sensor data and feeds it to an actuator, which then relays motion instructions to precision motors.
Touch Bionics’s iLimbs use muscle sensors placed on the skin of an amputees and just announced the first upper limb prosthesis controlled by a smartphone app. 

TOUCH BIONICS

Developed by Touch Bionics, iLimb uses muscle sensors placed on the skin of an amputees remaining stump. The electric signals generated by the wearer’s muscles control an onboard processor that’s embedded into the prosthetic hand. This myoelectric technology gives amputees a more precise range of control and movement, even giving them the ability to pick up coins.

BLOG: App Controls Bionic Hand

Most recently, Touch Bionics announced their iLimb Ultra Revolution will be the first upper limb prosthesis controlled by a smartphone app. The bionic hand features four individually articulating fingers and a rotating thumb that can either be controlled by the wearer’s muscle signals or the new Quick Grip app system that automatically forms the hand into preset grip patterns. By tapping the app, users can access 24 pre-programmed motions that assist with picking up objects, grasping tools or shoe-tying, to name just three.
DARPA helped develop two anthropomorphic modular prototype prosthetic arms, both of which offer increased range of motion, dexterity and control options. 

DEKA RESEARCH

When DARPA launched its $150 million Revolutionizing Prosthetics program in 2006, upper-limb prosthetic technology was lagging far behind lower-limb technology. Out of that program two anthropomorphic modular prototype prosthetic arms have emerged, both of which offer increased range of motion, dexterity and control options. “From that program there’s a number of technologies that have not been commercialized yet that I hope will be commercialized in the future,” said Herr. “One, of course, is Dean Kamen’s ‘Luke’ Arm.”
Nicknamed after the prosthetic worn by Luke Skywalker in “Star Wars,” Kamen’s DEKA Arm uses foot controls that work simultaneously with sensors in the device’s sockets. Wearers use the foot controls like a joystick to access the mechanical arm’s range of motion. The system even provides feedback via sensors worn on the amputee’s remaining part of the limb that let wearers know how hard they are grasping an object.
With a Modular Prosthetic Limb, nerves that previously went to a patient’s hand were re-routed to healthy muscles in the amputee’s stump.

 

JOHNS HOPKINS UNIVERSITY APPLIED PHYSICS LAB

With the Modular Prosthetic Limb, Johns Hopkins University Applied Physics Lab has successfully demonstrated the possibilities of controlling artificial limbs simply by thought. Led by Michael McLoughlin and Albert Chi, the APL’s work compromises the second prototype of DARPA’s Revolutionizing Prosthetics program.
In testing the prosthetic arm, nerves that previously went to a patient’s hand were re-routed to healthy muscles in the amputees stump. Sensors on the skin picked up brain signals from those nerves, then translated those signals to the robotic arm.
For quadriplegics like Jan Sherman, who was recently featured on 60 Minutes, simply re-routing nerves is not an option. Under DARPA’s program, she had University of Pittsburgh neurosurgeon Elizabeth Tyler-Kabara implant two sensors about the size of a pea on her brain. The sensors were wired to two computer connection pedestals that stuck out on the top of her head. When “plugged in,” Sherman was able to move a robotic arm and hand merely with her thoughts.
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Rex, el "hombre biónico" de un millón de dólares

Rex es un robot que tiene órganos artificiales, sangre sintética y extremidades robóticas que han sido hechas con lo último de la tecnología.

Londres (EFE). El Museo de la Ciencia de Londres exhibe desde mañana a Rex, el primer “hombre completamente biónico” con órganos artificiales, sangre sintética y extremidades robóticas que ha costado 640.000 libras (más de un millón de dólares).

Ideado, diseñado y montado por un grupo de expertos en robótica, Rex, de dos metros de altura, tiene bastante en común con Steve Austin, el hombre biónico que retrató la serie de televisión de los años 70 “El hombre de los seis millones de dólares”.

Con un rostro que le aporta humanidad, el hombre biónico incorpora algunos de los últimos avances de tecnología protésica, así como páncreas, riñón, bazo y tráquea artificiales, y un sistema circulatorio funcional.

Uno de los expertos que ha participado en su construcción, Richard Walker, señaló a la cadena BBC que el resultado del trabajo es “muy significativo”, pues ha permitido saber “lo cerca que las tecnologías protésicas están de reconstruir el cuerpo humano”.

LA TECNOLOGÍA BIÓNICA
Rex protagoniza mañana un documental de la cadena Channel 4, “Cómo construir un hombre biónico”, en el que también participa el psicólogo social suizo Bertolt Meyer, que nació sin mano derecha y lleva una prótesis biónica de 30.000 libras (casi 47 mil dólares).

“Algunas partes que hemos utilizado ya las llevan algunas personas que pueden vivir gracias a ellas. Las retinas artificiales permiten a la gente ver de nuevo. Hemos combinado estos avances con lo último en robótica”, agregó Walker.

En el documental se verá cómo Meyer prueba extremidades protésicas modulares mucho más avanzadas que la suya.


“He seguido las nuevas tecnologías biónicas durante mucho tiempo y creo que hasta hace cinco o seis años no pasaba gran cosa. Y ahora, de repente, estamos en un punto donde podemos construir un cuerpo que es magnífico y bonito de una manera propia y especial”, manifestó el psicólogo.

El robot Curiosity se comunica desde la superficie de Marte

A pesar de las dificultades y de la incertidumbre por la utilización de un método de aterrizaje novedoso, las cosas se desarrollaron de la forma prevista y el robot Curiosity se posó sin novedad en la superficie de Marte, a las 05:31 UTC del 6 de agosto (hora de la Tierra).

Todo fue bien en la secuencia de descenso y la compleja sonda espacial, a la que le sobró casi el 25 por ciento del combustible almacenado a bordo, tocó la superficie en un punto estimado cuyas coordenadas son 137,44 grados (longitud), -4,59 grados (latitud), en el interior del cráter Gale. Apenas unos minutos después, el robot, demostrando el éxito de la maniobra, enviaba sus primeras fotos de baja resolución a través de la sonda Mars Odyssey, que pasaba en esos momentos sobre ella. Las imágenes, que aún mostraban el polvo en suspensión levantando por el aterrizaje, enseñaban las ruedas del vehículo y su sombra, así como un escenario aparentemente libre de rocas.

La llegada del Curiosity se inició el 4 de agosto, con la entrada de la nave en la esfera de influencia gravitatoria de Marte. Eso la hizo acelerar progresivamente. Los ingenieros no necesitaron utilizar sus últimas oportunidades de corrección de la trayectoria, que consideraron perfectamente establecida. Por fin, a las 05:14 del 6 de agosto, la Curiosity abandonó la etapa de crucero que había estado utilizando durante el viaje, desde el día del despegue, y que había proporcionado energía, comunicaciones y propulsión al conjunto. Cinco minutos más tarde, se expulsaban dos pesos (CMBD) de 75 kg cada uno utilizados para mantener el equilibrio, los cuales se estrellarían por su cuenta contra Marte. De este modo quedaba desplazado el centro de masas de la nave y se obtenía una cierta sustentación. A las 05:24 UTC, el vehículo, equipado con su escudo de protección térmica, efectuaba su primer contacto con la atmósfera marciana, a unos 125 km de altitud y a una velocidad de 6,1 km/s, a 700 km de distancia del punto de aterrizaje. Cuatro minutos después, se expulsaban otros seis pesos de 25 kg para orientar correctamente la nave, y al mismo tiempo se extendía el paracaídas, a unos 10 km de altitud y una velocidad de 100 m/s. Con la evidente desaceleración en marcha, se liberó el escudo térmico inferior (05:29 UTC), y finalmente la carcasa superior junto al paracaídas, que había reducido suficientemente la marcha del descenso para que pudieran entrar en servicio los ocho motores de la “grúa espacial” (05:30 UTC). Con la velocidad de bajada a cero, el vehículo se mantuvo a unos 27 metros de altura y empezó a descolgar al robot Curiosity con varios cables. Una vez extendidos, se reanudó la bajada, hasta que éste tocó el suelo, a unos 0,75 m/s, los cables se cortaron y la grúa se alejó de la zona para estrellarse.

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(Foto: JPL)

De inmediato, el robot utilizó las cámaras de navegación para tomar algunas imágenes, aún con la óptica tapada por una cubierta transparente, que evitó que el polvo la ensuciara. Unos tres minutos después del aterrizaje, estas imágenes fueron transmitidas a la Tierra y mostradas en el centro de control, que las recibió de forma entusiasta.

Se trataba de imágenes en blanco y negro, ya que la cámara principal se encontraba aún plegada en su mástil, lo mismo que la antena de alta ganancia, que permitirá el contacto directo con la Tierra, sin pasar por las sondas en órbita alrededor de Marte. Hasta entonces, los controladores estarían limitados a la recepción de datos en las oportunidades de sobrevuelo de la MRO, la Mars Odyssey y la Mars Express.

Tras la rueda de prensa, regresó la actividad al centro de control, con un nuevo sobrevuelo de la Mars Odyssey que trajo más fotografías, de mejor calidad, y algunos datos científicos. En sucesivas oportunidades se enviarían otros elementos interesantes, como las imágenes tomadas durante el descenso propiamente dicho.

Los próximos días estarán protagonizados por un cuidadoso calendario de eventos, durante los cuales, poco a poco, se comprobarán todos los sistemas del robot, se establecerán comunicaciones estables y se enviarán imágenes de alta calidad y panoramas. Aún transcurrirán algunos días antes de que el Curiosity inicie sus primeros movimientos.

Durante la rueda de prensa, la dirección del programa no solamente felicitó a los participantes estadounidenses, sino también a las naciones colaboradoras, entre las cuales se encuentra España, que ha contribuido con varios elementos. Uno de ellos es la antena de alta ganancia, de diseño novedoso, construida por Astrium España.

Llevar a cabo la transmisión de datos desde Marte a la Tierra es más difícil de lo que parece. El rover tiene que saber dónde se encuentra en cada momento para saber dónde está la Tierra y apuntar hacia ella para comunicarse. El Curiosity ha incorporado la novedad de que es la antena la que se orienta automáticamente apuntando a la Tierra para poder comunicar sus datos. De esta manera, el rover no tiene que gastar energía moviendo todo el vehículo para apuntar su antena.

Curiosity tiene la capacidad de comunicarse directamente con la Tierra a través de sus enlaces en banda X con la red de espacio profundo compuesta de tres antenas gigantes de 70 metros dispuestas estratégicamente en el planeta (Pasadena, Canberra y Madrid) para que por lo menos siempre haya una en la línea de vista de la transmisiones.

Las comunicaciones en banda X utilizan un amplificador de potencia de 15 vatios alimentado por el transpondedor de espacio profundo del rover. España, a través de EADS CASA Espacio, filial de Astrium, ha suministrado la antena de alta ganancia, de forma hexagonal de unos 30 centímetros de diámetro, montada en la plataforma superior del Rover. Con esta antena, se puede transmitir a 800bits por segundo o más rápido a las antenas de 70 metros de la red de espacio profundo. Esta antena se basa en la tecnología de radiadores impresos desarrollada por la empresa, tiene capacidad de transmisión y recepción, y ha demostrado sus altas prestaciones en misiones de observación como Envisat, de telecomunicaciones como Galileo y Spainsat y científicas como Rosetta. Además tiene la citada capacidad de apuntamiento automático gracias al mecanismo especial suministrado por la empresa Sener. Esta antena será utilizada para enviar órdenes al rover todas las mañanas. Así mismo, podrá utilizarse para devolver información a Tierra a un bajo nivel de transmisión de datos debido a la limitada potencia del rover, el tamaño de la antena y la gran distancia que les separa.

Otra posibilidad de comunicarse que tiene Curiosity es a través de sus enlaces UHF contactando con los satélites que orbitan Marte. Son oportunidades cortas de unos 10 minutos, pero su proximidad permite una transmisión más rápida de datos que el contacto directo. Estos orbitadores con sus transmisores de mayor potencia y antenas de mayor tamaño retransmitirán esta información posteriormente a la red de espacio profundo en la Tierra. Uno de estos satélites puede ser el Mars Express de la Agencia  Espacial Europea que también cuenta con una antena dicroica de CASA Espacio.

La estación meteorológica del vehículo es asimismo una aportación española, desde el investigador científico principal hasta la construcción del mismo por la otra filial española de Astrium, CRISA, en Tres Cantos. Con ella se medirán diariamente todos los parámetros atmosféricos que se tomarán en cuenta para llevar a cabo la misión, que tendrá una duración de un año marciano (dos años terrestres).



(Foto: NASA)(Foto: NASA)La Curiosity bajo su paracaídas, vista por la sonda MRO. (Foto: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)El escudo de la Curiosity, en el momento de ser expulsado, durante el descenso. (Foto: JPL)Primera foto. (Foto: NASA)(Foto: NASA)Primera imagen en color tomada por el Curiosity. (Foto:  NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems)(Foto: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)


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