Entrevista con el Prof. Daniel Ferris

El profesor Daniel Ferris es un experto con reconocimiento a nivel mundial en el tema de exoesqueletos. Las impresionantes credenciales de Daniel son mencionadas al final de esta página. Daniel es bien reconocido 3en el tema de exoesqueletos como se puede ver en una búsqueda de Google Scholar. . Una de las cosas que inspiraron a Daniel en su carrera profesional fue su experiencia como jugador de futbol en la universidad del centro de Florida. En el campo, Daniel se quebró ambas piernas, su mano, su nariz y espalda en diferentes ocasiones y quería crear una mejor máquina que no se quebrara tan fácil.Conducimos esta entrevista por correo electrónico, una pregunta a la vez. Tomo varias semanas debido a la agenda tan apretada de Daniel. Completamos la entrevista en enero del 2011.

Gene: De los exoesqueletos líderes (Rex, ReWalk, HAL, eLEGS, etc.) ¿Cuál crees que es técnicamente superior? ¿Porque?

Daniel: Desafortunadamente, no es factible responder esa pregunta en la actualidad. Sería como responder “¿Qué galaxia tiene la mayor cantidad de organismos vivientes en ella?” hay una respuesta clara, pero no tenemos suficiente información para saber. Lo mismo es cierto sobre los exoesqueletos. Existen varios comunicados de prensa, entrevistas con los medios y otras formas de publicidad en el dominio público pero hay muy poca información tangible para evaluar sus habilidades. De la poca información disponible, tomaré una conjetura, y realmente es una suposición, que los exoesqueletos Honda, HAL, y eLEGS son los más avanzados a este punto. Sin embargo, es importante señalar que cada uno tiene distintas metas y limitantes. Por lo tanto, cada uno puede encontrar un nicho único en el mercado.

Cada fabricante de exoesqueletos ha utilizado distintos mecanismos de control de la computadora que maneja el exoesqueleto, desde una palanca (Rex) hasta sensores electromiograficos (HAL) y sensores de fuerza y movimiento (ReWalk y eLEGS). ¿Puede hablar de las ventajas y desventajas de cada uno?

Daniel: Soy un gran defensor del control incorporado. Es decir, que significa controlar un exoesqueleto tal como piensa el sistema nervioso del exoesqueleto como parte del cuerpo del usuario. Una palanca jamás permitiría al sistema nervioso procesar comandos de control para movimiento sin requerir que el cerebro haga cálculos extras para convertir movimientos de una palanca en movimientos corporales. En comparación con un movimiento natural, la palanca requiere procesos pensados adicionalmente. Esto significa que una palanca no está propensa a ofrecer la misma fluidez y capacidad que los controles incorporados. Por otra parte, una palanca tiene el beneficio que requiere menos entrenamiento para producir un movimiento funcional.

Las ventajas de utilizar sensores de fuerza y movimientos para controlar es que los sensores son, por lo general, bastante confiables y el software y hardware son relativamente fáciles de desarrollar.

Los sensores electromiograficos, tales como los del exoesqueleto HAL, registran la actividad eléctrica que pasa por un musculo que le permite contraerse. Con estos sensores, es posible activar el exoesqueleto en una respuesta escalada a la magnitud de la actividad muscular humana. Mientras mayor sea el reclutamiento de musculo humano, mayor será la asistencia del exoesqueleto. Este tipo de control parece producir un alto nivel de incorporación. Los usuarios implícitamente aprenden a controlar los exoesqueletos sin ningún conocimiento explícito de como ocurre el control. Ellos adaptan sus propios patrones de reclutamiento muscular para tomar en cuenta las dinámicas del exoesqueleto. La mayor desventaja de este tipo de control es que los sensores para el control están propensos a errores y tienen poca razón de señal-ruido. Esto los hace poco confiables. También, en muchos pacientes, no hay una señal muscular robusta para registrar para el control. Los pacientes con daños en la medula o daño cerebrovascular pueden no poder usar este tipo de control bien.

La estrategia de control más común empleada para los exoesqueletos en desarrollo es utilizar sensores de fuerza y movimiento para descifrar las intenciones de movimiento del usuario, como con eLEGS. Según la información de los sensores, la computadora controladora activa el exoesqueleto para asistir el movimiento. Las ventajas de utilizar sensores de fuerza y movimiento para el control son que, por lo general, los sensores son bastante confiables y el software y hardware son relativamente fáciles de desarrollar. La mayor incertidumbre de usar sensores de fuerza y movimiento para el control es que no está claro que tan fluido y preciso será el exoesqueleto al funcionar en tándem con un humano. No podemos escribir ecuaciones precisas describiendo como el sistema nervioso humano funciona en la mayoría de condiciones. Por lo tanto, existe cierta cantidad de reacción que es requerida al usar un control de fuerza y movimiento. Eso tiende a retardar el sistema y hace al exoesqueleto menos fluido y eficiente. Aun no existe buena información sobre el nivel de incorporación producido por estos controladores de fuerza y movimiento. Mi suposición es que los controladores de fuerza y movimiento pueden ser buenos en el mejor de los casos, pero nunca alcanzaran un nivel de incorporación verdadera.

Gene: Al menos un exoesqueleto, eLEGS, está enfatizando el desarrollo en un paso más fisiológico. ¿Qué tan importante es el paso en la función de un exoesqueleto? Si el usuario está paralizado, ¿realmente les importa si el paso es fisiológico o no?

Daniel: La palabra “paso” significa distintas cosas para distintas personas. En esta instancia, creo que paso se refiere a un patrón cinemático similar al caminar de individuos neurológicamente intactos. La cinemática es lo que ve del movimiento con sus ojos, sin importar las fuerzas que causan el movimiento. Los individuos con discapacidades realmente se preocupan bastante sobre cómo sus movimientos son percibidos por los demás. Aumentar la movilidad con un dispositivo que enfatiza movimientos anormales y llama mucho la atención al usuario sería menos deseable para individuos con discapacidades que un dispositivo que es menos notable. Usar cualquier exoesqueleto es propenso a llamar algo de atención sobre el usuario, pero si produce lo que se percibe como movimientos normales, sería bueno desde la perspectiva del usuario. Desde el punto de vista de la rehabilitación y la fisiología, realmente no sabemos si hay un beneficio de tener un patrón cinemático más normal.

Gene: La mayoría de los exoesqueletos líderes requieren que el usuario tenga fuerza en la parte superior del cuerpo y utilice muletas para apoyar al exoesqueleto. Esto significa que la mayoría de los cuadripléjicos están excluidos. El único exoesqueleto que sé que no requiere muletas es el Rex. Dado que casi la mitad de daños de la medula espinal resultan en cuadriplejia, eso es bastante significativo. ¿Será el requisito de fuerza en la parte superior del cuerpo y las muletas pueden ser un obstáculo importante para que los otros exoesqueletos se superen para ser adaptados para ser utilizados por cuadripléjicos? ¿Existe esperanza que los cuadripléjicos también puedan usar este tipo de exoesqueletos algún día?

Daniel: La cantidad de individuos con daños de movilidad de un derrame cerebral, daño traumático del cerebro, parálisis cerebral y esclerosis múltiple supera el número de individuos con dificultades de movilidad por daño de la medula. Como tal, existe una gran población de usuarios de exoesqueletos potenciales que podrían utilizar muletas al usar los exoesqueletos. Sin embargo, tomando en cuenta que, los exoesqueletos para la parte inferior del cuerpo funcionales que requieren el uso de muletas es solo el primer paso de lo que viene. Con avances en exoesqueletos que requieren muletas, es altamente probable que los exoesqueletos se puedan usar sin muletas.

Gene: La mayoría de los exoesqueletos parecen haber sido desarrollados para ayudar a los parapléjicos. ¿Es la tecnología significativamente diferente para otros tipos de discapacidades como discapacidades relacionadas con la espasticidad, parálisis cerebral, parálisis espástica, esclerosis múltiple, etc. en comparación a la parálisis? Es decir, ¿puede un exoesqueleto funcionar para la mayoría de personas con problemas de movilidad? De no serlo, ¿Qué tipo de exoesqueletos cree que funcionarían mejor con este tipo de discapacidades?

Daniel: La discapacidad más fácil de contrarrestar con un exoesqueleto es la debilidad. Sin embargo, muchas discapacidades neurológicas son acompañadas de otros síntomas como la espasticidad. La espasticidad es más difícil de tratar porque produce movimientos rápidos e impredecibles que deben ser controlados por el exoesqueleto. Según estudios que se han realizado en el pasado utilizando interfaces robóticas para estudiar la espasticidad, un exoesqueleto que puede controlar grandes niveles de espasticidad será más difícil de ser desarrollado. Dado el rango y la magnitud de los síntomas que se pueden presentar en pacientes con las mismas condiciones neurológicas, es mejor pensar en la coincidencia individual para un exoesqueleto que una adaptación basada en la condición en sí. Habrá necesidad de varios tipos de exoesqueletos, o al menos diferentes controladores para distintos individuos debido a sus habilidades y síntomas específicos.

Gene: He visto predicciones que los exoesqueletos reducirán el riesgo de hospitalización de usuarios de sillas de ruedas derivadas de enfermedades en las vías urinarias, piel (llagas) y sistema respiratorio. Otros hablan de reducción de la osteoporosis y enfermedades del sistema cardiovascular y el sistema digestivo. ¿Cuál es su posición al respecto? Si existe menos necesidad de hospitalización, ¿pueden los exoesqueletos mejorar la salud de los usuarios de sillas de ruedas, aumentar la expectativa de vida o ahorrar dinero debido a la baja de gastos en el cuidado de su salud?

Pararse y caminar incrementara la circulación y supuestamente conllevaría a frecuencias cardiacas y pulmonares mayores en comparación a estar sentado en una silla de ruedas. La carga en las piernas debería ayudar a contraatacar la osteoporosis porque los huesos se fortalecen cuando se les pone peso. Creo que hay una alta probabilidad que esto ocurra.

Daniel: La lógica para esa predicción, la reducción de complicaciones médicas secundarias con el uso del exoesqueleto, es probable pero no tenemos información para respaldarla. La idea es que, el reducir el tiempo sentado conlleva la reducción de problemas de la piel y el flujo sanguíneo. Pararse y caminar incrementaría la circulación y probablemente conllevaría mayores frecuencias pulmonares y cardiacas a comparación de estar sentado en una silla de ruedas. La carga en las piernas puede ayudar a contraatacar la osteoporosis porque los huesos se fortalecen cuando se les pone peso. Creo que hay una alta probabilidad que esto ocurra, pero no podremos saber realmente hasta que tengamos suficientes exoesqueletos en uso durante el día para hacer mediciones.

Gene: ¿Cuándo o por quien, puede el uso de un exoesqueleto ser dañino o no recomendable?

Daniel: Para un individuo que tiene alguna capacidad de caminar por sí mismo, el uso de un exoesqueleto puede conllevar a una atrofia de sus músculos. Para otros individuos, ellos necesitarían la habilidad de controlar y manejar el exoesqueleto de una manera segura. A menos que el exoesqueleto tenga habilidades de respuesta de balance y perturbación, entonces el usuario necesita poder mantener el balance de una manera segura. Esta habilidad será diferente dependiendo del exoesqueleto.


Prof. Ferris At TEDx

Gene: ¿Qué hay de las personas que han estado en silla de ruedas por muchos, muchos años? ¿Podría haber algún peligro que sus huesos sean muy débiles, sus ligamentos muy tensos o su sistema cardiovascular muy débil para el estrés de pararse de nuevo? ¿O seria generalmente posible ayudar a la mayoría de personas a hacer esta transición?

Daniel: El uso del exoesqueleto sería aún beneficioso para ellos, pero requeriría incrementos escalados en la cantidad e intensidad de actividad física con el exoesqueleto. Milo de la antigua Grecia, empezó a levantar y caminar con un ternero en sus hombros todos los días. Cuando el ternero se hizo un toro de 4 años, Milo aun podía caminar con el toro en sus hombros. El mismo tipo de entrenamiento progresivo es un principio crítico de entrenamiento de fuerza y rehabilitación. Usar el exoesqueleto un poco más cada día permitiría a los individuos fortalecer sus músculos, huesos, ligamentos y sistemas cardiovasculares. La tasa de aumento en el uso seria específica para cada individuo.

Gene: Digamos que un usuario, por ejemplo, un parapléjico incompleto, tiene algo de control muscular. Por ejemplo, digamos que tiene algo de funcionalidad en las caderas y muslos. Asumamos que esta persona desea utilizar el exoesqueleto para pararse y ejercitarse. ¿No debería poder hacer esto el exoesqueleto? Le pregunte a un fabricante y dijeron que no era capaz de eso. ¿Por qué este tipo de función de “compartir el poder” no sería una opción en un exoesqueleto? ¿Es esta función tecnológicamente difícil de alcanzar?

Daniel: Esto dependería totalmente del sistema de control del exoesqueleto. Algunos podrán hacerlo, otros no. Es posible, pero hasta donde el sistema del exoesqueleto lo permita. La respuesta corta es que depende de los tipos de entradas de los sensores son importantes para el algoritmo de control del exoesqueleto. Si el algoritmo de control del exoesqueleto no puede percibir y acomodar torques biológicas y las uniones causadas por el musculo, entonces el controlador será perturbado por cualquier esfuerzo activo del usuario.

Gene: ¿Existe algunos exoesqueletos en específico que usted cree que puedan permitir esta función de “compartir el poder”? De serlo así, ¿Cuáles?

Dan: Es difícil decirlo porque hay tan poca información disponible sobre los sistemas de control de los exoesqueletos. Sin embargo, según lo que hay disponible, los exoesqueletos eLEGS, HAL y Honda deberían poder ejecutar esta función entre el exoesqueleto y el usuario.

Gene: La mayoría de los exoesqueletos actualmente requieren una mochila. ¿Es eso mayormente por las baterías? ¿Qué más contiene la mochila? ¿Existen varios avances en baterías lo cual conllevaría a un exoesqueleto menso voluminoso y probablemente, eliminar la necesidad de una mochila? ¿Son las baterías potencialmente dañinas?

Daniel: Las baterías usualmente son parte del exoesqueleto que requiere la mayor parte de la masa. La tecnología de las baterías está mejorando pero no está a un nivel donde tenga la densidad de poder ideal. Algunos elementos del hardware pueden ir en una mochila, pero los chips se hacen cada vez más pequeños y otros electrónicos hacen posible localizar el hardware en otra parte. No debería haber aspectos dañinos en las baterías para la mayoría de usos del consumidor. Solamente se vuelven un problema en la industria (pensando en bomberos entrando a un edificio en llamas) o configuraciones militares.

Gene: Actualmente, se de dos tipos de actuadores (los mores que manejan el exoesqueleto) hidráulicos y electrónicos. ¿Existen otros? ¿Cuáles son los más eficientes y mejores en un exoesqueleto?

Daniel: Los actuadores electromagnéticos e hidráulicos son los actuadores más utilizados para los exoesqueletos en desarrollo de la actualidad. Sin embargo, existen exoesqueletos que usan actuadores neumáticos, electroreológicos y resortes elásticos para almacenar y regresar la energía elástica. Una tendencia reciente ha sido desarrollar actuadores híbridos que utilizan combinaciones de estos tipos de actuadores. Cada uno tiene ventajas y desventajas, así que los actuadores híbridos pueden sobrepasar la mayoría de desventajas de los actuadores individuales. Existe una variedad de otros actuadores en desarrollo que puedan estar listos para ser usados en los exoesqueletos en 10 años o más (aleaciones de memoria, actuadores piezoeléctricos, etc.) El ser eficiente es un parámetro bastante específico de medición para un actuador (mecánica del actuador) y la eficiencia no siempre es el factor más importante en determinar el éxito de un actuador de exoesqueleto. El tipo de controlador de exoesqueleto también puede influir en qué tipo de actuador es mejor para el exoesqueleto. Por ejemplo, algunos controladores de exoesqueletos que ofrecen el beneficio de compartir poder se benefician de tener cumplimiento mecánico inherente a los actuadores neumáticos. Otros controladores de exoesqueletos dependen de un control de posición bastante preciso, de manera que se benefician de usar actuadores hidráulicos.

Gene: Dado que los exoesqueletos solamente están empezando a ser mercadeados en la actualidad y que los costos actualmente son demasiado altos para la mayoría de usuarios de sillas de ruedas, ¿esperaría usted ver a los exoesqueletos disponibles para los usuarios de sillas de ruedas en un corto plazo (2-5 años) mediano plazo (5-10 años) o cree que sería a largo plazo (más de 10 años)?

Daniel: Definitivamente a largo plazo. Incluso los que son ampliamente mencionados en los medios actualmente no ofrecen el desempeño deseado para una disponibilidad de mercado amplia.

Gene: ¿Puede darnos una vista general de los proyectos en los cuales trabaja que involucran exoesqueletos?

Daniel: El propósito principal de mi investigación sobre los exoesqueletos robóticos es revelar los principios generales sobre como los humanos responden a la interacción con la asistencia mecánica para la locomoción humana. La meta principal de mi laboratorio no es construir productos comerciales sino conducir ciencia básica utilizando exoesqueletos robóticos para perturbar y asistir el caminar y correr del humano. Al comprender como los humanos responden metabólicamente, biomecanicamente y neurofisicamente a las fuerzas mecánicas de los exoesqueletos robóticos podemos sugerir maneras que mejoren a los dispositivos robóticos para beneficiar realmente al movimiento humano.

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El Dr. Ferris es un Profesor Asociado en el Departamento de Ciencia del Movimiento y el Departamento de Ingeniería Biomédica en la Universidad de Michigan. Él también es un miembro del Programa de Graduandos de Neurociencia y un Profesor Asociado Adjunto de Medicina y Rehabilitación Física. El completo una licenciatura en Matemática en la Universidad del Centro de Florida, una Maestría en Fisiología del Ejercicio en la Universidad de Miami y un Doctorado en Biodinámicas Humanas en la Universidad de California, Berkeley. Después de las asociaciones post-doctorales en el departamento de Neurología de UCLA y el Departamento de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Washington, el empezó como miembro de la facultad en la Universidad de Michigan en Ann Arbor en el año 2001. Su investigación se enfoca en la biomecánica y el control neural de la locomoción, específicamente en relación con los principios científicos básicos y métodos aplicados para rehabilitación del paso después de daños neurológicos.

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