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VOLTANDO A ANDAR: O exoesqueleto robótico e o projeto Walk again em foco

 

VOLTANDO A ANDAR: O exoesqueleto robótico e o projeto Walk again em foco

Fernanda Maria Policarpo Tonelli, Rodrigo R Resende

Vol. 1, N. 13, 24 de Junho de 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.06.24.002

Imagine uma pessoa que hoje não pode caminhar e usando uma roupa robótica pudesse a voltar a caminhar! Ou aquela pessoa que sofreu um acidente grave e ficou tetraplégica, perdendo todos os movimentos do pescoço para baixo!

No filme No Limite do Amanhã, soldados lutando contra invasores alienígenas usam um traje robótico que amplia em muito sua força e agilidade, além de usar armas para aniquilar o inimigo. Longe disso, de usar essa roupa robótica para se livrar de outras pessoas, mas sim, com um objetivo altruísta de fazer voltar a andar, quem não pode mais faze-lo!

Um fato interessante que ocorreu durante a abertura da Copa do Mundo da FIFA e que se era tão esperado teve 2 segundos apenas, e sem nenhum comentário, foi a apresentação de um exoesqueleto robótico que proporcionaria às pessoas com deficiência na movimentação de qualquer membro a voltarem a movimenta-lo, a caminhar! Este exoesqueleto consiste em um traje robótico, desenvolvido com o intuito de se obter uma conexão da máquina com o cérebro humano (numa relação dita interface cérebro-máquina), e assim tentar-se a superação de limitações humanas por meio da tecnologia.

Vamos definir alguns conceitos básicos para demonstrarmos como funciona o invento que está revolucionando o mundo e mais, feito por um brasileiro!

O que é um exoesqueleto?

Exoesqueleto é, por definição, o nome que se dá a um revestimento externo, resistente e flexível de organismos como, por exemplo, protozoários e insetos (Figura 1). Este tem funções importantes dentre as quais se destacam proteção e prevenção de perda de água (1).

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Figura 1: Exoesqueleto – à esquerda vê-se um gafanhoto, ao lado de seu exoesqueleto (à direita) (Adaptada de (2)).

Semelhante à ideia de um exoesqueleto natural desenvolveu-se o tão comentado traje robótico: uma espécie de armadura tecnológica, que visa devolver a possibilidade de movimento a quem já a perdeu (p.ex. paraplégicos).

O exoesqueleto robótico apresentado ao mundo brevemente durante a abertura da Copa do Mundo da FIFA 2014 foi desenvolvido como parte de um grande projeto chamado Andar de novo (do inglês Walk again) liderado pelo neurocientista Miguel Nicolelis.

O surgimento do projeto Walk again

O projeto Walk again envolve uma colaboração entre universidades e institutos de pesquisa de diferentes países. Sob liderança do professor brasileiro Miguel Nicolelis, cientistas de instituições como a Universidade Duke, Universidade da Califórnia, Universidade de Kentucky (nos Estados Unidos), a Universidade Técnica de Munique (na Alemanha), o Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (na Suíça), o Instituto Internacional de Neurociência de Natal (no Brasil), participam do projeto (3).

Os três principais trabalhos, realizados pelo professor Nicolelis e seu grupo de pesquisa, que precederam e inspiraram a criação do projeto, foram realizados em ratos e em primatas (macacos) (Vejam a importância de se usar animais na pesquisa científica! Sem eles teríamos que sacrificar algumas pessoas para que outras pudessem voltar a andar. Isso seria correto?). Estes trabalhos buscavam a compreensão do potencial do cérebro em interação com computadores.

Um deles, em 1999, relatou o êxito obtido no implante de chip no cérebro de ratos, em região capaz de controlar movimentos voluntários. Desta forma, os animais poderiam controlar uma alavanca, capaz de acionar um braço mecânico que os fornecia água para matar a sede. Enquanto o faziam, sinais gerados em seu cérebro eram conduzidos a um computador, que os registrava (Figura 2).

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Figura 2: Experimento no qual um rato podia controlar uma alavanca acionadora de um braço mecânico, para obter água para saciar sua sede (Adaptada de (4)).

Os cientistas então analisaram estes sinais registrados e perceberam padrões em funções neurais que geravam o movimento. Assim, de posse destes dados, alternou-se o modo de operação do braço mecânico: de maneira mecânica (por meio da alavanca) para um modo de controle neural (controlado através das funções neurais ou cerebrais dos ratos). Os animais passaram então a atuar num modo chamado “neuro-robótico”: com capacidade de controlar o braço robótico para obtenção de água, de maneira independente da alavanca. De forma curiosa, como o animal podia receber água sem mover a pata sobre a alavanca, os impulsos cerebrais que chegavam à sua pata foram gradualmente interrompidos, e o animal, imóvel, controlava o braço mecânico (Figura 3) (4).

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Figura 3: Num modo “neuro-robótico” de atuação os animais eram capazes de controlar o braço robótico para obter água, de maneira alavanca-independente, só com o poder do pensamento (Adaptada de (4)).

Num trabalho publicado no ano seguinte, em 2000, o grupo de pesquisa do professor Nicolelis relatou sucesso na realização de outro feito importante para a criação do projeto “Walk again”: um macaco-coruja, com seus impulsos cerebrais transmitidos por meio da Internet, foi capaz de controlar um braço mecânico à distância, somente com o poder do pensamento (5) (Figura 4).

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Figura 4: O professor Miguel Nicolelis acompanhado do macaco-coruja e do braço mecânico usado nos estudos (Fonte: Agência FAPESP).

Em 2008, novamente a mídia divulgou amplamente os novos resultados obtidos pelo grupo de pesquisa do referido professor (6). Um macaco, andando em uma esteira num laboratório da Universidade de Duke, nos Estados Unidos, foi capaz de movimentar um robô em Kyoto, no Japão, utilizando os impulsos oriundos de seu cérebro (chamados brainstorms). Estes impulsos foram transmitidos ao outro lado do mundo por meio de computadores. O animal pode então assistir ao movimento que conseguira provocar no robô e, ao parar de se mover sobre a esteira, foi ainda capaz de continuar a manter o robô em movimento: apenas com as instruções oriundas de seu cérebro (7).

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Figura 5: Controle do pensamento de um macaco, nos EUA, faz com que um robô ande, no Japão (Adaptada de (7)).

O exoesqueleto como um traje robótico

Os dados obtidos nos estudos com animais motivaram então a construção do exoesqueleto robótico (Figura 6), cuja obtenção envolveu mais de 150 pessoas de 25 diferentes países. O objetivo deste seria o de possibilitar, no futuro, a reabilitação de deficientes físicos; pacientes paraplégicos, por exemplo, que não podem andar, poderiam, por meio do exoesqueleto e usando comandos oriundos de seu próprio cérebro, “andar de Novo”.

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Figura 6: O exoesqueleto Alberto Santos Dumont 1, utilizado pelos voluntários durante testes.

As ações do traje robótico são controladas pelo indivíduo que o veste. Eletrodos presentes numa toca captam os sinais dos neurônios desta pessoa e os transmitem para a central do equipamento. Este computador central decodifica os sinais recebidos e devolvem ao paciente, por meio do exoesqueleto, a informação de movimento (por exemplo: a informação de pisar no chão, ou chutar uma bola) (Figura 7; assista também ao vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=1IEIzyaG108). Para se regular o movimento existem sensores na parte inferior do traje; estes enviam sinais vibratórios para o braço dos indivíduos sempre que o traje toca o chão (8).

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Figura 7: Os estímulos captados pelos eletrodos presentes na toca são transmitidos ao traje robótico, que devolve ao paciente a informação para iniciar o movimento.

Um total de 8 voluntários participaram das fases de teste com o exoesqueleto: o único até hoje produzido para ser movido pela vontade do próprio usuário e capaz de dar a este o feedback, ou retorno da informação a respeito do movimento executado.

O pontapé na Copa foi apenas o primeiro passo

Na abertura do mundial, em breves 2 segundos (veja o vídeo https://www.youtube.com/watch?v=TbVz8xZCVuk), o voluntário Juliano Pinto (que sofre de paralisia total do tronco e dos membro inferiores) fez uma demonstração do exoesqueleto ao chutar a Brazuca (bola oficial da competição) (Figura 8). Daí deixa a gente pensando. Será que ver o ônibus da seleção canarinho chegando é mais importante do que fazer um paraplégico voltar a andar?

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Figura 8: Demonstração do exoesqueleto na abertura da Copa do Mundo 2014 (obtida do vídeo acima citado).

Nas fases de teste que precederam o feito, um grande número de informações foi obtido pelos pesquisadores. A expectativa é de que estas possam aumentar a compreensão humana a respeito do poder da mente, principalmente no que tange a aprendizagem e interação homem-máquina.

O aprofundamento de estudos de interface cérebro-máquina tem demonstrado que neurônios podem aprender a se comunicar com computadores e aprimorar este processo com o passar do tempo, graças à sua plasticidade e não há limites para se imaginar o que pode ser feito com essa nova tecnologia. Inclusive, usar a internet para acessar computadores em outras regiões do globo! Melhor que a espionagem dos EUA! Você entraria diretamente em todos os arquivos do sistema de defesa americano. Lógico, isso ainda é uma ficção, mas poderia ser feito.

Assim sendo, os avanços da área vêm permitindo o uso de máquinas a favor do ser humano no auxílio de superação de suas limitações (9).

Um impulso à ciência no Brasil

Apesar de o projeto não ser exclusivamente brasileiro, a contribuição do país é marcante para o “Walk again”: não só de maneira científica, mas também financeira. A Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) forneceu 33 milhões de reais para auxiliar na realização do mesmo.

Além disto, o legado do chute simbólico na abertura da Copa é um impulso à ciência no Brasil. Nas palavras do presidente da Finep o investimento valeu a pena pois a demonstração do exoesqueleto “foi um verdadeiro gol da ciência brasileira, que mostrou para o mundo do que é capaz” (10).

O país do futebol também faz ciência com possibilidade de impacto mundial e, mesmo que este não seja o foco da mídia, objetiva-se que as inovações produzidas possam a vir modificar para melhorar a vida das pessoas.

É uma injeção de ânimo para jovens cientistas e pesquisadores brasileiros; não existe inovação sem cooperação/colaboração e desafios. O infactível pode, muitas vezes, ser alcançado com dedicação e trabalho.

No vídeo de divulgação do projeto “Walk again”, o professor Nicolelis comentou que este o colocou numa situação na qual ele poderia dar ouvidos àqueles que diziam que o propósito final de seu projeto era impossível, ou à sua avó (7). Esta última dizia que o impossível é apenas o possível no qual não se pôs muito esforço para se tornar verdade.

Como todo bom cientista, ele escolheu tentar tornar possível o que parecia não o ser, e exaltar o cunho de transformadora social que a ciência possui. E a cada vez que esta escolha é feita desta maneira, tanto ciência quanto sociedade se beneficiam!

Referências bibliográficas:

1. Exoesqueleto – Dicionário inFormal. Disponível através do link <http://www.dicionarioinformal.com.br/exoesqueleto/>.

2. Romanzoti, N. Momento incrível em que um gafanhoto troca sua ”casca” deixando uma réplica perfeita de si. Gazeta do Santa Cândida. Disponível através do link < http://gazetasantacandida.blogspot.com.br/2013/04/momento-incrivel-em-que-um-gafanhoto.html>.

3. DIVE – Duke immersive Virtual Environment. Disponível através do link <http://virtualreality.duke.edu/project/walk-again-project/>.

4. Chapin, J.K., Moxon, K.A., Markowitz, R.S., Nicolelis, M.A.L. Real-time control of a robot arm using simultaneously recorded neurons in the motor cortex. Nature Neuroscience 2, 664 – 670 (1999).

5. Wessberg, J., Stambaugh, C.R., Kralik, J.D., Beck, P.D., Laubach, M., Chapin, J.K., Kim, .J, Biggs, S.J., Srinivasan, M.A., Nicolelis, M.A. Real-time prediction of hand trajectory by ensembles of cortical neurons in primates. Nature 408(6810), 361-365 (2000).

6. G1 – Cientista reclama de tempo curto para mostrar exoesqueleto em abertura. Disponível através do link < http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2014/06/cientista-reclama-de-tempo-curto-para-mostrar-exoesqueleto-em-abertura.html>.

7. Walk again Project – World Cup 2014. . Disponível através do link <http://www.youtube.com/watch?v=WtODibC_82A>.

8. Nicolelis, M. Disponível através do link < https://www.youtube.com/watch?v=1IEIzyaG108>.

9. Powell, D. Mind-controlled prostheses offer hope for disabled. The Washington Post. (2013). Disponível através do link <http://www.washingtonpost.com/national/health-science/mind-controlled-prostheses-offer-hope-for-disabled/2013/05/03/fbc1018a-8778-11e2-98a3-b3db6b9ac586_story.html>.

10. Garcia, M. Lance polêmico. Instituto Ciência Hoje. (2014). Disponível através do link <http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/2014/06/lance-polemico>.

 

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