Investigadores de Tel Aviv desarrollan interfaz hombre-máquina para SmartHand, prótesis que restaura sensación táctil y permite movimientos complejos.
Avance israelí en prótesis con sensación táctil
Investigadores de la Universidad de Tel Aviv, liderados por el Prof. Yosi Shacham-Diamand, desarrollaron en 2009 una interfaz hombre-máquina para la prótesis SmartHand, un avance que permite a amputados realizar tareas complejas como escribir o tocar el piano. La tecnología, probada en un paciente sueco, conecta señales neuronales del brazo amputado a la prótesis, restaurando la sensación táctil en las yemas de los dedos. Este proyecto, en colaboración con científicos europeos, marcó un hito en la integración de sensores táctiles y control neuromuscular en prótesis de mano.
La SmartHand utiliza un sistema de 40 sensores propioceptivos y exteroceptivos, integrados en una mano robótica de cinco dedos con 16 grados de libertad. Cuatro motores de corriente continua, ubicados en la palma, accionan los dedos mediante tendones, permitiendo agarres de precisión y fuerza. La interfaz hombre-máquina traduce señales electromiográficas (EMG) del muñón del paciente, captadas por electrodos, en movimientos precisos. Además, los sensores táctiles en las yemas de los dedos transmiten información de presión al usuario, mejorando la percepción del entorno.
En las pruebas clínicas, el paciente sueco demostró habilidades avanzadas, como manipular objetos delicados y detectar texturas. La prótesis, con un peso de 520 gramos, comparable al de una mano humana, alcanzó una velocidad de cierre de 1.5 segundos. La integración de retroalimentación sensorial permitió al usuario distinguir entre tres niveles de fuerza y cinco dedos con una precisión del 79% al 97%, según experimentos con sujetos sanos. Estos resultados destacaron la capacidad de la SmartHand para superar limitaciones de prótesis mioeléctricas comerciales, que carecen de retroalimentación táctil.
El diseño bioinspirado de la SmartHand imita la anatomía humana, con articulaciones y sensores que replican funciones de los mecanorreceptores de la piel, como las células de Merkel y los corpúsculos de Meissner. La tecnología emplea electrodos implantados en nervios residuales para transmitir señales al cerebro, creando una sensación “casi natural”. Este enfoque, desarrollado con socios como la Scuola Superiore Sant’Anna en Italia, buscó mejorar la calidad de vida de amputados transradiales, ofreciendo una alternativa funcional y estética a las prótesis tradicionales.
Datos clave sobre la prótesis SmartHand
- Peso: 520 gramos, similar a una mano humana.
- Sensores: 40 sensores propioceptivos y exteroceptivos para retroalimentación táctil.
- Grados de libertad: 16, con 4 motores DC para movimientos complejos.
- Precisión táctil: 79% a 97% en discriminación de dedos y niveles de fuerza.
- Colaboración: Universidad de Tel Aviv y centros europeos como Scuola Superiore Sant’Anna.
Colaboración internacional y pruebas clínicas
El proyecto SmartHand, financiado parcialmente por la Unión Europea, reunió a expertos de la Universidad de Tel Aviv, la Scuola Superiore Sant’Anna y otras instituciones en Suecia y Dinamarca. En 2009, el equipo probó la prótesis en un amputado transradial en Suecia, quien usó la SmartHand durante varias semanas. Los electrodos implantados en los nervios mediano y ulnar permitieron un control intuitivo y la percepción de sensaciones táctiles. El paciente completó tareas como agarrar objetos, contar con los dedos y señalar, mostrando una integración efectiva entre la prótesis y el sistema nervioso.
Los ensayos clínicos incluyeron experimentos con 11 sujetos sanos para evaluar la retroalimentación táctil. Un sistema de visualización táctil, con servomotores digitales, aplicó estímulos en el antebrazo para simular sensaciones de los dedos. Los participantes identificaron la ubicación de estímulos con un 97% de precisión para tres dedos y un 82% para cinco. La discriminación de niveles de presión alcanzó un 79% de exactitud, demostrando la viabilidad de trasladar sensaciones desde la prótesis al usuario.
La SmartHand incorporó un controlador integrado en la palma, basado en un microcontrolador ARM Cortex-M7, que procesa datos táctiles en tiempo real con un tiempo de inferencia de 100 milisegundos. Este sistema, con un consumo energético de 505 mW, aseguró una respuesta rápida y eficiente. Los investigadores también analizaron la degradación de sensores y la detección de deslizamiento, optimizando la durabilidad y estabilidad del agarre, con pruebas que mostraron la capacidad de sostener objetos de hasta 3.6 kg bajo condiciones específicas.
El trabajo de la Universidad de Tel Aviv se centró en la nanoelectrónica y la integración de sistemas embebidos, con aportes del Prof. Shacham-Diamand en el desarrollo de sensores de alta resolución. La colaboración europea aportó experiencia en robótica blanda y neuroingeniería, creando una plataforma escalable para futuras prótesis. Los avances en la SmartHand sentaron las bases para investigaciones posteriores en interfaces cerebro-máquina y prótesis neuromusculoesqueléticas.
Contexto histórico y evolución tecnológica
Las prótesis mioeléctricas, como la SmartHand, evolucionaron desde los diseños de los años 1940, cuando Reinhold Reiter creó la primera prótesis controlada por señales musculares. Sin embargo, hasta finales del siglo XX, la mayoría carecía de retroalimentación sensorial, limitando su funcionalidad. Proyectos como el CyberHand en Italia y el LUKE/DEKA Arm en Estados Unidos exploraron controles avanzados, pero no lograron la integración táctil de la SmartHand. En los años 2000, la convergencia de robótica, neurociencia y nanotecnología impulsó el desarrollo de prótesis bioinspiradas.
En Israel, la Universidad de Tel Aviv destacó por su enfoque en interfaces hombre-máquina. Desde los años 1990, sus investigadores trabajaron en sensores táctiles y sistemas embebidos, aplicando avances en microelectrónica a la biomedicina. El proyecto SmartHand se benefició de esta experiencia, integrando tecnologías como sensores de efecto Hall y algoritmos de aprendizaje automático para procesar señales EMG. En 2010, la publicación de los resultados en la revista Robotica consolidó su impacto científico.
Otros centros, como la Case Western Reserve University en Ohio, exploraron estimulación nerviosa para restaurar sensaciones, pero la SmartHand destacó por su diseño compacto y autónomo. A diferencia de prótesis comerciales como la i-Limb Ultra o la BeBionic, que priorizan simplicidad, la SmartHand ofreció una plataforma experimental para estudiar interfaces neurales. Su capacidad para ejecutar agarres de actividades diarias, como el agarre lateral y de potencia, la convirtió en un referente para desarrollos futuros.
Desde 2009, los avances en inteligencia artificial y sensores de metal líquido han complementado el legado de la SmartHand. Investigaciones recientes, publicadas en Science Advances en 2025, muestran prótesis con sensores neuromórficos que imitan los mecanorreceptores humanos, aumentando la precisión táctil. La Universidad de Tel Aviv continúa liderando en este campo, con proyectos que exploran interfaces no invasivas y prótesis personalizadas mediante impresión 3D, consolidando a Israel como un centro de innovación en biotecnología.
Impacto global y perspectivas futuras
La SmartHand influyó en el diseño de prótesis modernas, como la biónica neuromusculoesquelética presentada en Science Robotics en 2023, que combina control neural y fijación ósea. En Israel, el ecosistema de startups biotecnológicas, apoyado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, ha ampliado estas innovaciones, con empresas como ReWalk Robotics adaptando tecnologías similares para exoesqueletos. La colaboración internacional del proyecto también fortaleció los lazos científicos entre Israel y Europa, con fondos de programas como Horizon 2020.
Las aplicaciones de la SmartHand trascienden la medicina, impactando la robótica blanda y las interfaces hombre-máquina en industrias como la manufactura y la exploración espacial. En 2024, un estudio de ResearchGate destacó su influencia en sistemas táctiles de alta resolución, capaces de procesar 100 cuadros por segundo, un rendimiento 13.7 veces superior a trabajos previos. Estos avances permiten a las prótesis distinguir texturas y velocidades de contacto, mejorando la interacción con el entorno.
La investigación en prótesis enfrenta desafíos, como el alto costo y la necesidad de interfaces no invasivas. Sin embargo, los progresos en sensores flexibles y algoritmos de aprendizaje automático, impulsados por instituciones como la Universidad de Tel Aviv, sugieren un futuro donde las prótesis sean más accesibles. En 2021, un artículo en Nature Materials subrayó la importancia de la retroalimentación táctil para reducir el abandono de prótesis, un problema que afecta al 30% de los usuarios, según encuestas.
Israel, con su enfoque en innovación tecnológica, sigue liderando en este campo. La SmartHand no solo mejoró la calidad de vida de amputados, sino que también abrió caminos para interfaces neurales avanzadas, con aplicaciones en medicina, robótica y más allá. Los esfuerzos conjuntos de científicos, ingenieros y médicos continúan expandiendo los límites de lo posible en la integración hombre-máquina.