Exoesqueletos: la edad del ‘hombre de hierro’

Los inventos suelen ser copias –más o menos afortunadas- de sistemas que funcionan en la naturaleza. Esta afirmación es válida para los incipientes exoesqueletos que se han venido desarrollando en el último medio siglo. La ciencia-ficción de los ‘Iron-Men’ (hombres de hierro) cobra visos de realidad a través de numerosos ingenios que, actuando como exoesqueletos, pueden multiplicar la fuerza y las capacidades de los humanos. Sin duda, cabe esperar muchos avances en este campo, que tendrán que ver con la miniaturización y la autonomía de uso.

‘Exoesqueleto’ significa literalmente ‘esqueleto exterior’. Es el esqueleto de muchos integrantes del reino animal entre los que se incluyen los del orden de los arácnidos, insectos, crustáceos y miriápodos. Una de las funciones más importantes es la de proporcionar sostén y protección mecánica a la estructura de estos animales.

La imitación más burda de la naturaleza por parte de los humanos en materia de exoesqueletos se inició con el uso de las armaduras para proteger el cuerpo en el combate. Posteriormente se desarrollarían las aplicaciones sanitarias en forma de ortesis, mecanismos que, aplicados a los miembros inferiores, superiores o al torso, permiten corregir vicios posturales, desviaciones anatómicas, o paliar ciertas deficiencias funcionales.

En paralelo a la mejora de las ortesis, el ingenio humano ha prosperado en su imitación de la naturaleza para desarrollar lo que podríamos denominar ortesis para el cuerpo completo, dotadas de mecanismos de servo-asistencia, a partir de una fuente de energía. Son los actuales exoesqueletos para uso humano. Su objetivo es aumentar la capacidad-fuerza (soldados, bomberos), o restablecerla (con las lógicas restricciones) en personas que la han perdido por lesiones graves (lesionados medulares, etc.).

Los exoesqueletos actuales, que ya constituyen un portento, no son sino prototipos de lo que hemos de ver a la vuelta de unos años. Las aplicaciones militares, que van a la cabeza, son la fuente de nuevos desarrollos que, obviamente, tienen muchas aplicaciones civiles.

Exoesqueleto para bomberos

Los bomberos transportan equipos de intervención cuyos pesos suelen estar en torno a la treintena de kilos. El peso puede doblarse si se incluyen las herramientas y utillaje de intervención. Sólo el equipo ‘ligero’ representa más de un 30% del peso corporal del bombero, que con esta carga embarazosa tendrá que moverse, subir cientos de escaleras o rescatar personas en escenarios de siniestro.

Ken Chen, un diseñador industrial de origen chino, que trabaja en Melbourne (Australia), ha desarrollado una mejora tecnológica para los bomberos. Se trata del exoesqueleto potenciado AFA (Advanced Firefighting Apparatus) que, complementando el rendimiento muscular del bombero, le permite sobrellevar su pesada carga, sin limitar la libertad de movimientos. El AFA se ha diseñado para transportar cargas y subir las inacabables secciones de escaleras de los rascacielos.

La versión actual, con un peso en torno a los 23 kilogramos, faculta a un bombero a gestionar un peso adicional de hasta 90 kilogramos. Este exoesqueleto de bombero cuenta con anclaje para mangueras y se ha diseñado para ponerse sobre el equipo convencional de protección (traje de intervención). El chasis está articulado y provisto de sensores y servo-motores conectados a un mini-ordenador que lo gestiona. Va equipado con anclajes para llevar dos bombonas de agua y oxígeno. Junto a la mejora funcional, AFA no ha descuidado la seguridad de sus potenciales usuarios, por lo que equipa un mecanismo de liberación de emergencia, bastando un simple movimiento para desacoplar el exoesqueleto que, por su propio peso, cae al suelo.

El prototipo cuenta ya con dos modelos: uno para las labores de extinción, dotado con una lanza de agua, y una versión de rescate que dispone de una herramienta hidráulica. Estos aparatos de ayuda confieren a los bomberos una fuerza sobrehumana, una condición muy necesaria cuando se trata de auxiliar a personas que se hallan en rascacielos por encima del alcance de las escalerillas y cestas de rescate de los vehículos, o que no disponen de helipuertos para una evacuación por el aire.

Inspirados en los prototipos de sus homólogos militares (XOS Skeleton, de Raytheon) y HULC (Human Universal Load Carrier – Porteador de cargas universal), constituyen el punto de partida una próxima generación de exoesqueletos concebidos para aplicaciones civiles por la empresa Ekso Bionics. Este desarrollador habrá de afrontar uno de los principales problemas del AFA, cuyo talón de Aquiles es la refrigeración, aspecto vital en un servo-esqueleto que debe desenvolverse en escenarios de fuego, donde los dispositivos disipadores del calor del ingenio muestran actualmente una clara insuficiencia. Asimismo, la tecnología actual sólo le confiere una autonomía de 2 horas a este primer auxiliar de bombero robótico. No obstante, los avances son imparables, lo que contribuirá también a una producción más económica de exoesqueletos cada vez más dotados y eficientes.

Accesorios que multiplican la fuerza humana

Es pura obviedad que las máquinas han liberado a la mano humana de los trabajos más duros, penosos o que requieren una fuerza física que nos somos capaces de desarrollar. El sueño humano tiene una meta definida: conseguir máquinas o humanoides que ejecuten, al menos, los trabajos que nosotros no podemos –o no deseamos- hacer. Mientras el sueño se sustancia en realidad, los exoesqueletos son esas ayudas que, incorporadas a las propias personas, les confieren fuerza y resistencia muy superiores a las que son propias de su naturaleza. Durante décadas, la industria militar de Estados Unidos y sus socios del sector privado han estado trabajando en pos de una tecnología que entronca directamente con la ciencia ficción: los trajes robotizados.

No es una utopía pensar que los exoesqueletos pueden aumentar la fuerza de un soldado, permitiéndole levantar cargas que a priori parecen imposibles y desplazarse por el campo de batalla a velocidades inusitadas. Actualmente la investigación militar norteamericana trabaja en el desarrollo de un traje al estilo Iron-Man en un programa bautizado como TALOS (Tactical Assault Light Operator Suit – Traje Ligero de Asalto Táctico). El mismo aumentará la movilidad y la protección de los soldados y muy probablemente se superpondrá a un exoesqueleto base.

Con independencia de las diferentes aplicaciones que se vayan desarrollando, podemos destacar unos rasgos definitorios, como son incrementar la capacidad de carga normal hasta 17 veces y desplazarse con menos esfuerzo corporal. Con el traje XOS un soldado puede llevar algo más de 180 kilos pero con la sensación de llevar poco más de 10.

Aunque los trajes exoesqueléticos robotizados llevan en producción más de cincuenta años, su producción se aceleró en la década de los 90, sin que sea ajena a ello la industria del cine. El interés del Pentágono ha ido in crescendo hasta convertirse en una clara prioridad. Así, puede afirmarse que lo que era una realidad de ficción en el cine hollywoodiense se transforma en una realidad tangible en la industria militar de los Estados Unidos. En la misma interviene una extensa nómina de bio-ingenieros, veteranos del ejército, expertos en tecnología y empresas de investigación que buscan soluciones analizando minuciosamente los secretos de la armadura de los insectos. Entre las compañías hay fabricantes de accesorios, pequeñas firmas de tecnología y gigantes de la defensa como Raytheon, Lockheed Martin y General Dynamics.

Contrariamente a lo que ocurre en las películas, donde los exoesqueletos parecen animados por una fuente de energía inagotable, los exoesqueletos actuales enfrentan el archiconocido problema del peso elevado y la limitada autonomía que confieren las baterías. Aunque la industria ensaya también con modelos accionados por motores ligeros similares a los utilizados en algunos drones (objetos voladores no tripulados).

Exoesqueletos con señas de identidad

Sin voluntad ni posibilidad de agotar el tema en este artículo, hablaremos de algunos de los ingenios del pasado y del presente.

• Man Amplifier

A principios de la década de los 60 el Man Amplifier (Amplificador Humano) empezó una carrera truncada en el laboratorio aeronáutico de la Universidad de Cornell. Su creador, Neil Mizen, se propuso que este traje de poder contase con un sistema de engranajes motorizados en las articulaciones que proporcionarían fuerza e impulso adicionales. El destino no era otro que el empleo en actividades militares y científicas, pero Mizen no pudo diseñar su sistema motor a base de engranajes y el proyecto del traje nunca llegó a ver la luz. De todos modos, puso el germen que inspiraría futuros proyectos de la misma naturaleza.

• Hardiman Suit

En 1965 aparece este proyecto que lidera General Electric y co-patrocina lógicamente el estamento militar de Estados Unidos. Era un nuevo intento inspirado en la investigación que se había hecho con su predecesor, el Man Amplifier.

Estaba previsto que Hardiman pudiera levantar 1.500 libras, la friolera de unos 700 kilogramos. No obstante, el traje nunca llegó a funcionar como un conjunto completo, demostrándose que su control era imposible. Como alternativa, la investigación se centró en un brazo del traje. De hecho, consiguió levantar 750 libras (unos 350 kilos), aunque el peso del ingenio lo hacía inviable como complemento de la anatomía humana debido a sus 750 kilos, por lo que el proyecto quedó archivado.

• Hybrid Assistive Limb (HAL)

En 1997 la firma japonesa de investigación Cyberdyne inició el primer prototipo del Hybrid Assistive Limb (Asistente Híbrido de las Extremidades). Las industrias militares norteamericana y surcoreana se ofrecieron a cofinanciar el programa aunque la compañía rechazó enfocar su tecnología hacia el uso militar. Los primeros desarrollos del HAL, creados en la Universidad de Tsukuba, se concibieron para ayudar a personas con discapacidad motora y ancianos en sus tareas diarias. Estaban conectados a ordenadores y sólo las baterías pesaban más de veinte kilogramos. En 2013 vieron la luz los prototipos de la quinta generación (HAL 5), que obtuvieron un certificado mundial para aplicaciones médico-sanitarias, siendo los primeros exoesqueletos motorizados en recibir dicha certificación.

En un escenario de catástrofe, como es la limpieza de una central nuclear siniestrada, los exoesqueletos tienen un doble protagonismo: asistente mecánico infatigable y garante de la seguridad laboral de los limpiadores (clean-up workers). Fueron los japoneses, en 2012 durante la crisis de Fukushima, los pioneros en darle el doble uso señalado a los exoesqueletos de la serie HAL (Hybrid Assistive Limbs) del fabricante nipón Cyberdyne.
Equipados con vestuario especial y máscaras, los limpiadores de Fukushima gobernaron sus ayudas robotizadas exoesqueléticas con el cerebro, que actuaba como una CPU central. Así pudieron manejar sin grandes esfuerzos equipos y herramientas pesadas, con el plus de no poner en riesgo su seguridad al trabajar en un teatro de operaciones caótico y contaminado con un enemigo invisible como es la radiación.
Los HAL se desarrollaron inicialmente como ortesis para las piernas con el fin de ayudar a pacientes aquejados de degeneraciones neuromusculares. En esta aplicación, el exoesqueleto se activaba por la lectura de las bio-señales procedentes de la epidermis de los usuarios.

El HAL 5, pese a ser un exoesqueleto de cuerpo completo, sólo pesa algo más de 10 kilos. El sistema diseñado en Japón –potencia en robótica y automática- funciona captando las bio-señales que se producen en la superficie de la piel y que sirven para que el exoesqueleto refleje o replique los movimientos del usuario. Este traje del contexto ‘cyborg’ puede funcionar hasta una hora y media con una carga completa. Su ensayo en una catástrofe (limpieza de la central nuclear de Fukushima) demostró su capacidad para aligerar el esfuerzo de los limpiadores-liquidadores (clean-up workers) en los trabajos de descontaminación de la planta, que sufrió una fusión parcial del núcleo. El traje HAL permitió a los trabajadores llevar puesto más equipo de protección y trabajar turnos más largos sin experimentar el cansancio tan rápidamente.

• Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)

Su desarrollo, impulsado por DARPA, una de las corporaciones del sector, se inició en 2000. El prototipo permitió a sus usuarios levantar más de 90 kilos sin percibir peso adicional. El exoesqueleto fue incluso capaz de atravesar terrenos difíciles durante largos períodos de tiempo. El diseño de este ingenio permite la fácil separación de las piernas respecto del tronco en caso de falta de batería, transformándose así en una mochila estándar.

• Springtail Exoskeleton Flying Vehicle

Ésta era una versión aún más ambiciosa (exoesqueleto-vehículo volador). En 2001, Trek Aerospace efectuó las primeras pruebas de lo que ahora no es más que un proyecto abandonado. El vehículo, que se diseñó para aplicaciones militares, permitía el vuelo vertical. Sin embargo, acabaría considerándose inviable y el exoesqueleto volador jamás emprendería el vuelo. Las intenciones de los ingenieros eran ambiciosas, pues el Sprintail permitiría a los soldados volar y sustentarse en el aire comportándose como un vehículo personal de despegue y aterrizaje vertical (VTOL -vertical take-off and landing- por su sigla inglesa). El artefacto tenía una velocidad de unos 180 km/hora, y podía volar con una autonomía de 296 km transportando un peso de hasta 160 kilogramos.

Incluso el nombre de este proyecto fallido fue acertado: Sprintail (colémbolo) es un insecto sin alas, dotado de un mecanismo de salto bajo el abdomen que, a modo de resorte, le permite saltar cuando se ve molestado.

• LifeSuit

En 2001, el militar retirado Monty K. Reed creó la empresa North Seattle Robotics Group, con una línea de negocio especializada en el desarrollo de exoesqueletos (LifeSuit) para personas con minusvalías. El nombre original quizás sea pomposo (traje salvavidas), pero constata la ambición de su promotor.

Como ocurriera con Howard Hughes, también Reed rentabilizó sus experiencias vitales: en 1986 sufrió un accidente de paracaídas que le dejó secuelas permanentes en la espalda. Durante la convalecencia, Reed quedó fascinado con los exoesqueletos gracias a la novela de Robert Heinlein “Starship Troopers”. El traje salvavidas LifeSuit se encuentra en una avanzada fase de desarrollo y está siendo sometido a exhaustivos ensayos médicos.

• XOS Exoskeleton

La firma de ingeniería y robótica Sarcos, de Utah (EEUU), comenzó en 2000 con este proyecto, cuyos prototipos aparecen en 2006. Aunque los exosqueletos XOS debían mantenerse conectados a una fuente de energía, ofrecían prestaciones no desdeñables como el levantamiento de peso con una ratio de percepción 6:1; es decir que una carga de unos 80 kilos es percibida como una de 13,5 kilos (6 veces menos).

Con la compra, en 2007, de Sarcos por Raytheon, el XOS experimentó mejoras que lo hicieron más ligero y eficiente. Así, el traje XOS 2 permite el levantamiento de pesos con una percepción 17:1 (el peso percibido es 17 veces inferior al peso real), además de ser un 10% más ligero que su predecesor, ofrecer mayor precisión, rapidez y portabilidad (no requiere la conexión física a la fuente de energía como el primer prototipo).

Financiado por DARPA, rama científica del Pentágono, este exoesqueleto de accionamiento hidráulico parece destinado a usos militares, o logística (civil o militar). Soldados u operarios pueden, con el concurso de XOS 2, levantar pesadas piezas o rearmar un avión de combate sin esfuerzo. No en vano los desarrolladores de este proyecto afirman que un usuario puede hacer con el exoesqueleto el trabajo de dos o tres personas, reduciendo además el riesgo de sufrir TME (trastornos musculo-esqueléticos) por acumulación de movimientos repetitivos, sobreesfuerzos, etc. En este sentido, los exoesqueletos se perfilan en el campo de la PRL como ayudas técnicas que pueden evitar lesiones y problemas ergonómicos.

• Human Universal Load Carrier (HULC) - Porteador de cargas universal

El proyecto, conducido por Berkeley Bionics, arranca en 2000 como la tercera generación de un sistema exoesquelético. HULC permite a los usuarios levantar más de 90 kilos sin impedimento y –aún más importante- las pruebas han demostrado que esta ayuda mecánica reduce el gasto energético de las personas, que se refleja tanto en el consumo de oxígeno como en la frecuencia cardíaca.

En 2009, la empresa propietaria, que había cambiado su nombre a Ekso Bionics, concedió una licencia de HULC a Lockeed Martin para la investigación de posibles aplicaciones militares, lo que ha permitido incrementar sus posibilidades funcionales. El exoesqueleto opera en todo terreno, soporta carga frontal y posterior, poseyendo la energía suficiente para una marcha de ocho horas antes de necesitar la recarga. Forma parte de la nómina de exoesqueletos contemplados por los militares de Estados Unidos para un posible uso en el programa del traje “TALOS Iron Man”.

• X1 Mina, exoesqueleto de la NASA

En colaboración con el Florida Institute for Human and Machine Cognition (que estudia las capacidades cognitivas humanas y mecánicas), la NASA anunció la creación de un exoesqueleto al que se le asigna una doble funcionalidad. En el espacio y entornos de baja gravedad, las articulaciones del traje estarán rígidas, lo que proporcionará a los astronautas el ejercicio necesario para combatir la atrofia muscular que causa la ingravidez. Asimismo, la NASA prevé que el X1 pueda ser usado por parapléjicos y otras personas con distintas minusvalías funcionales como ayuda para caminar. Para esta función las articulaciones del exoesqueleto pueden distender su rigidez, proporcionando el necesario apoyo a los discapacitados sin exigirles esfuerzo físico como en la aplicación espacial.

Dado que posee articulaciones motorizadas y múltiples puntos de ajuste, el exoesqueleto de la NASA –aún en fase de desarrollo- se perfila no sólo como un instrumento de gimnasia a bordo de las cápsulas espaciales, sino como una ayuda que incremente las capacidades y la fuerza de los astronautas en las operaciones extra-vehiculares (EVA).

• Exoesqueleto DARPA

Como hemos dicho, DARPA es la rama científica de las fuerzas armadas en Estados Unidos, por lo que su exoesqueleto tiene una clara vocación militar, como se hace patente en el nombre “Warrior” (Guerrero). El programa de este proyecto se orienta a crear un bajo-traje suave y ligero que proteja las articulaciones de los usuarios al tiempo que sirva para aumentar el peso que puede llevar un soldado. Además, con un modesto consumo de sólo 100 vatios, que se traduce en larga autonomía de funcionamiento.

En el proyecto intervienen diferentes firmas, destacando Boston Dynamics, que ha aportado lo que los responsables de DARPA definieron como “uno de los diseños más prometedores”.

El programa Warrior ha creado prendas, dentro del concepto exoesqueleto, cuyo propósito es que se puedan llevar debajo de los uniformes convencionales. El objetivo es aumentar la resistencia de los soldados mediante la reducción de la carga y esfuerzo muscular.

Ya no hablamos de aparatosos equipos, sino prácticamente de ropa interior. En medio siglo, los exoesqueletos han evolucionado desde una tecnología incierta y fantasiosa a sistemas que ofrecen aplicaciones médicas o aerospaciales, logísticas y ergonómicas. Los exoesqueletos han perdido peso y simultáneamente han ganado en eficiencia energética y flexibilidad de uso… Y la evolución es imparable.

El cine se alimenta de la vida real, y otras veces es la ficción la que acaba inspirando a los ingenieros y diseñadores industriales. En el tema de los exoesqueletos parece que hay interacciones en ambos sentidos.
En ‘Iron Man’ (El Hombre de Hierro), el personaje utilizaba allá por la década de los sesenta una ‘armadura de poder’, que no era más que un exoesqueleto mecánico ficticio, que multiplicaba su fuerza por diez; unos jets de aire a presión le permitían dar saltos largos.
La saga ‘Terminator’ nos ha mostrado distintos ‘ciborgs’ (seres robóticos), con poderes que exceden enormemente la fuerza humana, pero con la particularidad en este caso de que no tienen exoesqueletos, sino endoesqueletos (esqueleto interno). Su potencia mecánica estaba albergada en un robot de aspecto humano, que se auto-regeneraba tras sufrir graves heridas y mutilaciones que serían incapacitantes para cualquier humano.
Lejos de la ficción, en España, el Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV) da vida al proyecto CPWalker, una plataforma robótica (andador inteligente + exoesqueleto + neuroprótesis) que permite la aplicación de terapias rehabilitadoras en niños que sufren parálisis cerebral.
En el futuro inmediato habrá que estar atentos a desarrollos -como “ExoSuit”-, que son discretos trajes exoesqueléticos, concebidos como una segunda piel, pero con los “poderes” que se han descrito en este artículo.