Alunos da Poli-USP trabalham em próteses de mão eletromecânicas produzidas por impressoras 3D

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Atividade faz parte da formação de estudantes de Engenharia Mecatrônica, que são orientados pelo professor Chi-Nan Pai.

Alunos do curso de Engenharia Mecatrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP) estão desenvolvendo, já na graduação, protótipos de próteses para pessoas sem a mão, seja devido a defeitos congênitos, ou devido a amputação. Segundo o professor do Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos (PMR), Chi-Nan Pai, o objetivo do projeto é fazer com que os alunos tenham a oportunidade de praticar os conceitos e teorias aprendidos ao longo do curso, ao mesmo tempo em que trabalham no desenvolvimento de uma tecnologia inovadora e que traz impacto positivo para a sociedade.

A prótese de mão em desenvolvimento na Poli-USP poderá ser fabricada utilizando impressoras 3D. Totalmente customizada para o corpo de cada pessoa e também para as funções que ela precisa realizar, o projeto começou tendo como base uma prótese desenvolvida por engenheiros de uma startup japonesa chamada Exiii. Essa customização é o grande diferencial do projeto politécnico, pois já existem em vários países iniciativas open source nas quais os projetos de próteses estão disponíveis para quem quiser fabricar seu próprio equipamento, usando impressora 3D, mas são projetos muito genéricos, que não levam em consideração as particularidades de cada usuário.

“Enquanto no Japão o maior foco do trabalho foi no design, aqui estamos pesquisando as questões da Engenharia, em si. Queremos melhorar as partes mecânica e funcional da prótese”, explica. O primeiro passo foi fazer uma prótese idêntica a dos japoneses, para aprender mais sobre a mesma, mas essa fase inicial já apontou aspectos que devem ser aperfeiçoados.

Para a prótese ter mobilidade, mexer punhos, dedos etc, é preciso colocar motores na mesma. “Estamos estudando uma forma melhor de projetar esses mecanismos para dar mais funções para as próteses”, conta. Dar função significa montar a prótese de forma que ela permita que o paciente alcance um objetivo a partir da realização de determinados movimentos: se ele quer trabalhar com escrita, precisa de uma prótese capaz de segurar uma caneta; se quer cozinhar, o mecanismo deve segurar algo leve e frágil como um ovo, sem quebrá-la.

Próteses customizadas – Segundo Chi-Nan, a customização da prótese poderá chegar ao seu potencial máximo, pois ele será um dispositivo fabricado não só de acordo com as características físicas únicas de cada pessoa – como, por exemplo, o comprimento do braço –, mas também à forma como cada pessoa vive, às atividades que realiza e como usa suas mãos. “Queremos projetar as próteses de acordo com a necessidade de cada um. Talvez para uma pessoa não seja um problema se a prótese amassar um pouco os objetos que ela manipular, então não precisa ter um controle muito fino da prótese para a questão da força, por exemplo”, comenta. “Podemos pensar até em fazer próteses intercambiáveis no futuro: a pessoa terá várias delas, e poderá usar uma para escrever, outra para realizar tarefas delicadas etc”, completa.

Para estudar esse aspecto, o docente fez parceria com a Escola de Engenharia de São Carlos da USP, cujos pesquisadores implementaram uma técnica de controle para movimentação vertical do braço de um manipulador industrial onde uma simples batata ‘chips’ foi usada, sem quebrar, para levantar o braço, extremamente pesado (https://www.youtube.com/watch?v=WS1gSRcJbJQ). A ideia é usar a mesma técnica na prótese, começando com o estudo implementando essa teoria de controle em uma prótese de três dedos, em tamanho maior que o da mão humana, para melhor visualização e entendimento do problema. O objetivo desse protótipo inicial é chegar a um sistema de controle da mão de forma que a prótese consiga pegar qualquer objeto sem esmagá-lo.

O uso das mãos está relacionado com as características técnicas da prótese e ambos são fatores que impactam diretamente no seu preço, uma grande preocupação do projeto brasileiro. “Queremos produzir próteses de baixo custo, então, quanto mais função precisar, mais motores. Com isso, o preço de produção aumenta, assim como a necessidade de fazer manutenção e trocas eventuais de componentes pelo desgaste ao longo do tempo ou por quebra”, destaca.

Na prótese feita no Japão, todos os motores estão instalados nas mãos, o que se revelou um problema, segundo a pesquisa brasileira. “É justamente a parte mais móvel da prótese e onde tem maior chance de quebrar. Se isso ocorrer, é preciso refazer tudo e acaba se tornando caro para o usuário”, ressalta. Por isso, em vez de colocar os mecanismos importantes na mão, estamos estudando a instalação dos motores no antebraço. “A mão será só um mecanismo para fazer a movimentação, de modo que fique mais barato trocar uma peça se quebrar”, explica.

Há também desafios na área da saúde. “Não podemos permitir uma compressão das áreas de contato da prótese com o local onde ela se encaixa no braço da pessoa, chamado de coto de amputação, pois isso causa necrose do tecido e pode levar a uma nova amputação”, diz. Para investigar esse problema, será preciso envolver outros pesquisadores. Chi-Nan já teve uma conversa inicial com o Instituto de Ortopedia da Faculdade de Medicina da USP, pois lá existe uma oficina onde se faz rotineiramente essa interface da prótese e do membro natural, evitando a lesão.

Ainda não é possível saber quanto seria mais barata a prótese desenvolvida na Poli em relação às já existentes. Para isso, será preciso avançar mais no estudo. “Até agora, o custo dos componentes para a fabricação de uma prótese é de R$500,00, mas com certeza não será esse o custo final”, diz. A ideia é que o projeto consiga ser viável de forma a atender pacientes do SUS. Para chegar lá, o professor precisará encontrar mais alunos que queiram se engajar no projeto nos próximos anos e encontrar um parceiro interessado em fabricar um número maior de protótipos das próteses, pois é preciso testar a tecnologia em um grande número de pessoas.

O projeto de desenvolvimento dessa prótese está relacionado a outra iniciativa, que deve culminar com a produção de um robô para atender pessoas com tetraplegia e que também é tocada por alunos do sétimo semestre do curso de Engenharia Mecatrônica, que podem participar de uma iniciativa interdisciplinar chamada “Projeto Integrado do Sétimo Semestre” (PI-7), em que terão a oportunidade de desenvolver projetos utilizando conhecimentos de cinco disciplinas da grade: “Sistemas Embarcados”, “Atuadores e Acionamentos”, “Controle I”, “Mecanismos para Automação” e “Microprocessadores em Automação e Robótica”.

Uma das turmas desenvolveu protótipos de um pequeno robô que leva um copo até a boca de uma pessoa. Eles pesquisaram e testaram diversos tipos de mecanismo e controle na busca por um dispositivo que conseguisse segurar e virar um copo na boca, sem derramar o líquido. Essas iniciativas contam com apoio financeiro do Amigos da Poli, fundo de endowment que capta doações e aplica os recursos em projetos da própria Poli. O projeto ganhou o segundo lugar em 2016 entre todos os apoiados pelo fundo Amigos da Poli, pelo impacto e excelência alcançados.