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Novo braço biônico desfoca a linha entre o real e a fantasia

Aos 29 anos, o bombeiro canadiano Rob Anderson perdeu o braço esquerdo e a perna esquerda num horrível acidente de helicóptero na encosta de uma montanha. Embora equipado com próteses “top de linha” nos últimos 10 anos, ele disse, usá-las parece “fazer coisas com um longo alicate”.

Parte do problema é que ele simplesmente não se sente conectado à sua prótese. “Há uma desconexão entre o que você está tocando fisicamente e o que seu corpo está fazendo”, explicou ele.

Então, quando pesquisadores da Universidade de Alberta lhe ofereceram um lugar em um novo teste de prótese, ele aproveitou a chance.

O resultado, publicado este mês na revista Science Translational Medicine, é um braço biônico muito diferente de qualquer coisa que venha antes dele. Uma vez montado, o braço usa vibrações e uma ilusão sensorial para dar aos usuários uma sensação natural de seu apêndice robótico se movendo pelo espaço. Mesmo quando vendado e usando fones de ouvido com cancelamento de ruído, Anderson intuitivamente sabia o que seu braço robótico estava fazendo.

“Foi meio surreal”, disse ele.

O sexto Sentido

Não há como argumentar que as próteses percorreram um longo caminho. Controlar um membro robótico com suas ondas cerebrais era impossível há apenas uma década; agora parece rotina. Mais do que nunca, os cientistas estão comprimindo conjuntos cada vez mais densos de motores e sensores em membros para substituição.

O resultado são sofisticados apêndices biônicos capazes de movimentos finos e hábeis. Alguns podem até mesmo enviar sentimentos de toque para o usuário, fechando o ciclo de ação para sensação.

Mas há um problema: sem um visual direto, o usuário não tem a menor ideia do que o braço biônico está fazendo. Eles não sabem onde o braço está no espaço, o quão rápido ele está se movendo ou para onde está indo.

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Esse senso intuitivo de posicionamento do corpo, apelidado de cinestesia, tem sido difícil de se transformar em próteses. Não é toque, a cinestesia usa o feedback das articulações e músculos para calcular onde seus membros estão mesmo sem feedback direto do toque.

No entanto, como o toque, a cinestesia é essencial para o controle motor fino: esse é o sentido que lhe permite enfiar um punhado de pipocas na boca, mantendo os olhos no grande ecrã. Está por trás de ações aparentemente mundanas, como coçar as costas ou pegar uma bola. Você não pode executar várias tarefas sem isso.

“Alguém com uma mão protética, já que não consegue sentir o movimento de seu dispositivo, eles essencialmente têm que compensar isso com a visão”, disse o principal autor Dr. Paul Marasco, da Cleveland Clinic, que colaborou com a Universidade de Alberta e Universidade de New Brunswick. Isso mata qualquer senso de propriedade do braço.

Boas vibrações

O novo dispositivo restaura a cinestesia usando um hack corporal seriamente inteligente.

Quando você vibra um tendão entre 70 e 115 Hz, faz com que pareça que a articulação associada está se movendo. A ilusão é forte o suficiente para que a pessoa pense que seus membros estão contorcidos em posições impossíveis ou que seu nariz está crescendo como o de Pinóquio. Ao vibrar múltiplos tendões, os cientistas podem induzir a sensação de movimentos complexos do braço no espaço, sem qualquer movimento físico.

Os cientistas sabem sobre esse fenômeno, apelidado de ilusão cinestésica induzida por vibração, desde os anos 1970, mas ninguém nunca o testou em amputados antes.

Os voluntários deste estudo já haviam passado por uma cirurgia para religar os nervos remanescentes de seus corpos superiores a outros músculos. Por exemplo, o nervo que normalmente controla o cotovelo é ligado aos músculos peitorais. Quando o paciente pensa em mover o cotovelo, o nervo envia o comando para o músculo do peito. Essa atividade é então captada por um sensor que, por sua vez, instrui o cotovelo do braço protético a se mover de acordo.

Crédito: P.D. Marasco et al., Science Translational Medicine (2018)

A equipe primeiro vibrou os tendões do peito, do bíceps e do tríceps dos voluntários, para onde os nervos remanescentes estavam redirecionados, e pediu que eles imitassem os movimentos percebidos nas mãos perdidas com os restantes.

Incrivelmente, diferentes paradigmas de vibração mapearam em uma biblioteca de movimentos de mão complexos. Por exemplo, a estimulação do bíceps na maioria dos pacientes gerou o “aperto do cilindro”, no qual a mão é frouxamente apertada, como se envolvesse um tubo. Outros movimentos incluíram o polegar e o indicador “beliscão fino”, ou o polegar, o meio e o dedo indicador “pinça de tripé”.

No total, a equipe identificou 22 movimentos diferentes de mãos ou preceitos.

“Achamos que, se funcionasse como em uma pessoa com bom corpo, teríamos apenas uma ou duas articulações; nós pegamos um pulso, algo básico”, disse Marasco. “Nós fomos devagar.”

Uma interface cinestésica

O próximo passo foi colocar esta biblioteca em uso. A equipe desenvolveu uma interface máquina-neural com duas linhas de comunicação. Quando o paciente pensa em mover o braço biônico, o sinal é retirado do músculo re-inervado para controlar a prótese. Ao mesmo tempo, também desencadeia um pequeno mas poderoso motor para vibrar o músculo, gerando a ilusão cinestésica.

A melhoria foi evidente em poucos minutos. Usando um software de simulação de computador, os voluntários poderiam facilmente fechar suas mãos protéticas virtuais por um quarto, meio ou três quartos do caminho sem observar a mão. Em contraste, com as vibrações desligadas, elas tiveram um desempenho significativamente pior, um paciente quase não tinha noção da posição da mão sem adicionar o hack.

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O feedback cinestésico foi ainda mais poderoso do que a visão para o controle motor fino. Quando solicitados a pegar uma bola virtual usando suas mãos virtuais, os reflexos cinestésicos retrocederam muito mais rápido que o feedback visual, permitindo que os voluntários se aproximassem de maneira precisa e intuitiva.

Insatisfeitos com apenas uma prova de conceito, a equipe montou uma prótese física com seu motor de vibração. O padrão clínico para uma inserção da mão biônica é uma tomada plástica rígida com espaço limitado, explicaram os autores. O estado real é apertado, mas é possível espremer todos os componentes.

Os resultados foram notáveis. Mesmo com vendas nos olhos e fones de ouvido com cancelamento de ruído para bloquear o mundo, os voluntários seguiram facilmente instruções para fechar a mão biônica em um punho de cilindro. Além disso, eles não tiveram problemas em relatar o status das próteses, se estavam abertas ou fechadas.

“Um amputado normal está completamente perdido com uma venda nos olhos”, explicou Marasco, “e nem pode fazer o teste”.

A substituição final

Com o senso de cinestesia restaurado veio um senso de propriedade. As vibrações borraram as linhas entre o que é “eu” versus o que é “máquina” no cérebro dos pacientes. A mão biônica não parecia apenas uma mão, parecia a deles.

“Eu fiz reconhecimento de padrões por anos, treinando-me para operar uma mão protética, e isso foi ótimo”, disse um participante. “Mas isso? Isso vai levar as coisas a um nível totalmente diferente”.

O dr. Dustin Tyler, que já havia trabalhado em mãos protéticas com uma sensação de toque, achou o trabalho fascinante. “Se você tivesse me perguntado antes, eu teria dito que é improvável que funcione”, disse o bioengenheiro, que trabalha no Centro Médico de Veteranos dos Veteranos de Cleveland, em Louis Stokes.

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Marasco e sua equipe estão agora trabalhando para estender a técnica para outros tipos de lesões, como aqueles que perderam uma perna ou aqueles com problemas de movimento devido ao derrame. Ele também está trabalhando na integração do hardware de vibração com braços protéticos em um sistema fácil de usar para os pacientes operarem sozinhos.

O objetivo final é integrar membros biônicos como parte dos pacientes, disse Marasco. Isso requer toque, movimento, temperatura, cinestesia e uma série de outros sentidos para funcionar simultaneamente no mesmo braço biônico.

Dessa forma, “quando pensam em mover o braço, sentem que estão se movendo pelo espaço e, quando pegam alguma coisa, sentem esse toque como se fosse deles”, ele disse. “Essa é a próxima parte disso, integrando essas peças em um todo”.

Artigo publicado originalmente no site Singularity Hub, para ver o artigo original em inglês clique aqui.

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