O envelhecimento da população está trazendo à tona a crescente necessidade de tecnologias assistivas em nossos sistemas de saúde e no ambiente doméstico. Condições médicas que resultam em deficiências motoras e sensoriais também exigem tecnologias para reabilitar pacientes e devolver-lhes a mobilidade.

Integrando Humanos e Máquinas

Tecnologias assistivas referem-se a dispositivos, equipamentos e sistemas desenvolvidos para auxiliar pessoas com deficiências físicas, sensoriais ou cognitivas, bem como pessoas idosas, a desempenhar atividades diárias, melhorar sua qualidade de vida e promover sua independência e inclusão na sociedade.

Necessidade de Tecnologias Assistivas:

• Envelhecimento da população.

• Condições médicas que resultam em deficiências motoras e sensoriais.

• Importância da reabilitação e da mobilidade.

  
  

Diversos dispositivos e robôs foram desenvolvidos para enfrentar esses desafios. No entanto, muitas dessas tecnologias são difíceis de operar para os usuários, principalmente porque foram projetadas sem a participação do público-alvo.

Consequentemente, a taxa de abandono desses dispositivos tem sido alta devido à baixa usabilidade, ao alto custo metabólico, ao desconforto e à falta de feedback sensorial.

Como os engenheiros, devemos considerar não apenas os aspectos tecnológicos, mas também os aspectos humanos da pesquisa. Isso pode ser alcançado integrando verdadeiramente o usuário ao dispositivo para alcançar a incorporação e enfrentando os obstáculos do mundo real enfrentados por pessoas com deficiências físicas.

Neste artigo, destaco os estudos focados em desenvolvimentos recentes em robôs assistivos e de reabilitação com o usuário final em mente.

O objetivo ideal para todos os exoesqueletos robóticos e membros protéticos é criar uma interface perfeita e, talvez, uma relação simbiótica entre humano e máquina, de modo que as funções do robô sejam otimizadas para beneficiar ao máximo o usuário.

Exemplo Prático Real

Um exemplo prático da integração bem-sucedida de humanos e máquinas pode ser visto no uso do exoesqueleto robótico EksoGT em pacientes com lesão medular.

O EksoGT é um exoesqueleto de coluna, utilizado em centros de reabilitação, que permite que pacientes com paralisia das pernas possam ficar de pé e caminhar novamente. Este dispositivo não apenas auxilia na reabilitação física, mas também proporciona benefícios psicológicos significativos, como aumento da autoestima e da motivação dos pacientes.

Um estudo conduzido em um centro de reabilitação nos Estados Unidos mostrou que o uso do EksoGT resultou em melhorias significativas na força muscular e na função motora dos pacientes. Além disso, o exoesqueleto permitiu a personalização dos parâmetros de assistência, ajustando-se às necessidades individuais de cada usuário.

Este nível de personalização é fundamental para aumentar a aceitação e a eficácia do dispositivo, demonstrando como a consideração dos aspectos humanos na engenharia de tecnologias assistivas pode levar a melhores resultados e maior satisfação do usuário.

Desafios e Avanços na Robótica Assistiva

Para alcançar essa visão de uma relação simbiótica entre humano e máquina, é necessário superar vários desafios importantes e muitas vezes conflitantes.

O consumo de energia deve ser minimizado de ambos os lados da interface para reduzir a carga metabólica do usuário e prolongar o tempo de funcionamento do robô. Os atuadores e os mecanismos de transmissão de força devem ser leves, energeticamente eficientes e compatíveis com a biomecânica natural do ser humano.

Pesquisas demonstraram como um exoesqueleto macio pode reduzir o custo metabólico da caminhada e influenciar o equilíbrio, auxiliando o momento natural de abdução do quadril. Dada a natureza distinta das marchas individualizadas entre os usuários de exoesqueletos, a assistência personalizada oferecida pelo dispositivo é um fator importante.

Proporcionar aos usuários controle consciente e subconsciente sobre a ajustabilidade dos exoesqueletos desempenhará um grande papel na melhoria da aceitação.

Imagem: Chalmers University of Technology/Anna-Lena Lundqvist

Em um estudo de Lee et al., um algoritmo evolutivo foi desenvolvido para recomendar potenciais parâmetros otimizados para usuários de um exoesqueleto macio, permitindo-lhes responder com feedback em tempo real às forças aplicadas pelo exoesqueleto.

O sistema demonstrou ter uma precisão de mais de 80% na convergência de parâmetros de controle preferidos pelos usuários.

Essa abordagem de preferência do usuário difere de vários estudos que adotaram perfis de assistência generalizados, pois considera não apenas parâmetros biomecânicos, mas também parâmetros fisiológicos e psicológicos que influenciam a usabilidade e a experiência geral do exoesqueleto.

Próteses de Membros e o Desafio da Força

Além dos requisitos para transmitir potência do atuador para o efector, há um desafio crítico de transmitir força do humano para o robô no caso de membros protéticos. A acoplagem física entre um membro humano e um dispositivo robótico tem sido um desafio de longa data devido a questões de conforto, confiabilidade e outros fatores.

Ortiz-Catalan et al. realizaram um estudo de longo prazo para avaliar o potencial de uma prótese neuromusculoesquelética transradial para um amputado de membro superior no uso diário. Especificamente, a prótese adotou a osseointegração, em que um implante de titânio foi diretamente integrado aos ossos do rádio e ulna da mão, e a integração de eletrodos implantados em enxertos musculares e no nervo ulnar.

Imagem: Johan Bodell/Chalmers University of Technology - Max Ortiz Catalan em consulta de acompanhamento com um dos pacientes, no Laboratório de Biomecatrônica e Neurorreabilitação Chalmers.

Essa abordagem levou a uma melhora na função protética em termos de sensações percebidas, redução da dor pós-amputação e melhora no controle da prótese para agarrar e manipular objetos. As tecnologias osseointegradas representam uma mudança ousada em relação às abordagens tradicionais de acoplagem por encaixe e é encorajador ver sua adoção crescente na clínica.

A eletromiografia (EMG) e outros métodos de detecção de biopotenciais têm se mostrado úteis para monitorar os sinais de saída motora do corpo, que são controlados por múltiplas redes neurais que garantem o controle adaptativo e estável dos membros. Usar esses sinais naturais de saída motora para controlar diretamente a prótese aproveita a sofisticação do sistema de controle neural do corpo e leva a um comportamento mais estável e sinérgico.

Um estudo de Fleming et al. mostrou como uma prótese de tornozelo controlada por EMG pode afetar as estratégias de controle postural dos participantes quando sujeitos a perturbações esperadas. A prótese melhorou a capacidade de amputados transtibiais de reduzir quedas e passos compensatórios, mantendo, em última análise, sua estabilidade postural. Esta abordagem destaca o potencial das próteses controladas por EMG na coordenação neuromuscular e pode desempenhar um papel substancial na melhoria da qualidade de vida dos amputados.

Feedback Sensorial e Desafios Futuristas

Nossa percepção de toque e dor é fundamental na vida diária, mas essa sensação é frequentemente dada como certa até ser perdida devido a uma amputação ou paralisia. Tarefas que parecem triviais para não amputados, como caminhar e manter uma postura equilibrada, são um grande desafio para amputados devido à falta de feedback sensorial e ao esforço cognitivo aumentado necessário para interagir com o ambiente.

Em outro estudo, Kim et al. demonstraram como a sensação plantar restaurada em amputados de membros inferiores, fornecida por eletrodos de nervo implantados, melhorou a simetria e estabilidade da marcha, a percepção de velocidade e a adaptação motora.

Este estudo demonstra como as neuropróteses que visam a somatossensação podem desempenhar um papel substancial no aumento da mobilidade e potencialmente na redução dos riscos de queda.

Embora um progresso imenso tenha sido feito para restaurar canais de feedback sensorial após amputação, ainda há uma lacuna crítica em dotar os sistemas mecatrônicos com sensores de contato, torque e movimento que rivalizam com o conjunto denso e distribuído de nervos sensoriais que existem nos membros humanos.

Outro desafio crítico é alcançar a sinergia entre os sistemas de controle humano e robótico para garantir um comportamento seguro, intuitivo e confiável.

Segurança e Cognitividade Compartilhada

A segurança é uma preocupação crítica para qualquer interação humano-máquina, especialmente quando o robô está agindo de forma autônoma. Portanto, é crucial que o robô esteja consciente da segurança e que o humano esteja ciente das intenções do robô.

Se o humano pudesse realmente incorporar não apenas as ações do robô, mas também os pensamentos, poderíamos vislumbrar uma espécie de cognição compartilhada entre os dois. Nesse ponto, poderíamos considerar a interface humano-máquina verdadeiramente perfeita.

A sinergia entre os sistemas de controle humano e robótico é um objetivo ambicioso, mas alcançável, que promete uma interação mais intuitiva e segura.

Ao garantir que tanto o robô quanto o humano estejam conscientes das intenções um do outro, podemos alcançar uma interface verdadeiramente perfeita, onde a colaboração entre homem e máquina se torna uma extensão natural de nossas capacidades.

"A tecnologia é mais poderosa quando se integra com nossas necessidades humanas, não quando a substitui." - Don Norman

O avanço das tecnologias assistivas e da robótica tem o potencial de transformar radicalmente a vida de pessoas com deficiências motoras e sensoriais, bem como da população idosa. No entanto, para que essas tecnologias alcancem seu verdadeiro potencial, é crucial que sejam projetadas com o usuário final em mente, integrando considerações não apenas tecnológicas, mas também humanas.

A integração eficaz entre humanos e máquinas, como exemplificado pelo uso de exoesqueletos e próteses neuromusculoesqueléticas, demonstra que a personalização e a atenção às necessidades individuais dos usuários são essenciais para o sucesso e aceitação dessas tecnologias. Estudos mostram que a adaptação personalizada dos dispositivos pode melhorar significativamente a qualidade de vida dos usuários, proporcionando-lhes maior mobilidade, conforto e independência.

Por fim, a segurança e a cognitividade compartilhada representam o próximo grande passo na evolução da robótica assistiva. Ao garantir que tanto o robô quanto o humano estejam conscientes das intenções um do outro, podemos alcançar uma interface verdadeiramente perfeita, onde a colaboração entre homem e máquina se torna uma extensão natural de nossas capacidades.

Como afirma Douglas Weber, "A verdadeira sinergia entre humanos e robôs só será alcançada quando ambos puderem compreender e antecipar as intenções um do outro, levando a uma colaboração mais intuitiva e eficaz."

Para aqueles interessados em se aprofundar mais no assunto, recomendamos a leitura de estudos recentes publicados em revistas científicas como Science Robotics e Nature, que exploram as últimas inovações e desafios na robótica assistiva e reabilitadora.