26 diciembre 2024.
Autor/es: José Laparra Hernández, Juan Manuel Belda Lois, Laura Martínez Gómez, María Jesús Solera Navarro, Carlos Atienza Vicente.
Instituto de Biomecánica (IBV)
Los exoesqueletos pueden compensar o aumentar las capacidades de las personas mayores y de las personas con discapacidad para realizar las actividades de la vida diaria, mejorando su calidad de vida y sus expectativas de vida independiente. En el proceso de diseño y desarrollo de exoesqueletos es necesario un enfoque centrado en el ser humano, no sólo para superar las barreras de aceptación de los usuarios, pacientes y médicos, sino también para reducir los costes de desarrollo y su llegada al mercado. El conocimiento relacionado con los factores humanos (antropometría, biomecánica, térmica, mental, etc.), la experiencia del usuario y los laboratorios más avanzados centrados en la persona son clave para optimizar la interacción persona-exoesqueleto y acelerar el proceso de innovación.
INTRODUCCIÓN
Los exoesqueletos o wearables robóticos son dispositivos conectados externamente al cuerpo humano para compensar o aumentar las capacidades humanas (Figura 1). Existen diferentes clasificaciones, siendo bastante común dividirlo al menos en activo o pasivo, y dependiendo de su ámbito de aplicación: militar, clínico, seguridad laboral, etc. (Figura 2). El concepto no es nuevo; de hecho, uno de los primeros dispositivos conocidos fue patentado en 1890 por Nicholas Yagin. Sin embargo, el avance y madurez en diferentes dominios (electromecánica, sensores, neurociencia, etc.) y la reducción de costes de la tecnología han impulsado su despliegue durante la última década.
Figura 1. Ejemplos de exoesqueletos para mejorar las condiciones de vida.
Si bien los esfuerzos iniciales se centraron en resolver retos técnicos, con un claro impulso tecnológico, hoy en día existe una clara tendencia sobre la importancia de realizar un enfoque centrado en las personas e involucrar activamente a los usuarios a lo largo de todo el proceso de innovación para mejorar la aceptación en el mercado, como se viene observando en los últimos foros, ferias y congresos especializados[1]. Esta aproximación es esencial para hacer avanzar estas tecnologías desde los entornos de investigación y laboratorios hasta aplicaciones del mundo real, donde pueden mejorar significativamente la independencia y la calidad de vida de las personas mayores y las personas con discapacidad, así como mejorar la aceptación del mercado.
Figura 2. Clasificiaciones de Exoesqueletos (Tejera, 2020)
¿CÓMO CONSEGUIR EXOESQUELETOS CENTRADOS EN LA PERSONA?
IBV tiene una trayectoria de más de 20 años apoyando el desarrollo de productos con un enfoque centrado en las personas, abarcando dispositivos de rehabilitación, soluciones robóticas o exoesqueletos. Nuestro enfoque actual es combinar Factores Humanos (FH), Experiencia de Usuario (UX) y Lean para acelerar el proceso de desarrollo, reducir tiempos, errores y costes (Figura 3); así como aumentar la aceptación de pacientes, médicos y mercado. Nuestra experiencia se puede agrupar en 3 grandes líneas:
- Conocimientos sobre el comportamiento humano: antropometría, biomecánica, simulación postural, confort térmico, carga cognitiva, respuesta emocional, etc.
- Laboratorios de Tecnología Avanzada para caracterizar al ser humano y su interacción: ensayos mecánicos, análisis de forma 4D, análisis de movimiento, respuesta térmica, respuesta fisiológica, etc.
- Capacidades de diseño y desarrollo, más allá de la electrónica y la ingeniería mecánica, abarcando accesibilidad, usabilidad, diseño de interfaces, etc.
Figura 3. Aproximación de Diseño Centrado en la Persona para mejorar la calidad de vida de las personas mayores y personas con discapacidad
Dependiendo de la etapa del proceso de innovación, utilizamos tecnologías escalables para evaluar la interacción humana en diferentes contextos, desde laboratorios especializados, clínicas de rehabilitación o fisioterapia hasta el propio domicilio del paciente. La combinación de los FH con metodologías UX nos permiten apoyar a los desarrolladores en las principales fasees de innovación: Aprender, Idear y Validar[2]. Cabe destacar la importancia de detectar errores o problemas de diseño lo antes posible, pues un error detectado en una fase de prototipo tiene un impacto en coste 10 veces mayor que durante la fase de diseño conceptual (Morales, 20024), lo que obliga a iniciar el proceso de certificación nuevamente, retrasando o dificultando la llegada al mercado.
Además, la metodología del IBV cumple con el Reglamento de Dispositivos Médicos (MDR) vigente, acelerando el proceso de certificación y simplificando la generación de la documentación MDR. De hecho, el IBV cuenta con licencia de fabricante de productos sanitarios otorgada por la AEMPS (Agencia Española de Medicamentos y Productos Sanitarios). Además, IBV ha implementado la ISO 13485 para garantizar la calidad de nuestros productos y dar soporte al diseño de software, equipos electromédicos y sistemas de implantes para terceros, dando soporte a empresas de toda Europa.
La aproximación de FH y UX van de la mano para conseguir productos excelentes y los exoesqueletos no son una excepción. Aunque UX es clave durante todo el proceso, es especialmente valiosa durante las Fases de Aprendizaje e Ideación, permitiéndonos centrarnos y trabajar en el concepto antes de perder tiempo y recursos durante la fase de diseño en detalle y desarrollo.
Si bien las entrevistas, la netnografía, los grupos de discusión, etc. nos permiten profundizar y comprender mejor las necesidades, el contexto y las barreras del usuario (fase de Aprendizaje), existen diferentes metodologías para hacer más fácil y eficiente el proceso de innovación a lo largo de la fase de Ideación. En el IBV realizamos sesiones de cocreación con usuarios, expertos en FH, diseñadores y desarrolladores para generar nuevos conceptos con poco esfuerzo apoyándonos en metodologías como Braindrawing, Lego, etc. (Figura 4). También facilitamos que los distintos actores involucrados en la cadena de valor interactúen con otros exoesqueletos o tecnologías de otros sectores para inspirarlos.
Figura 4. Metodologías de UX, desde la identificación de necesidades a la concreación.
Por otro lado, FH va más allá de la ergonomía física tradicional, abarcando los dominios físico, sensorial y mental, proporcionando una visión holística de las necesidades, capacidades y habilidades humanas. En pocas palabras, aplicar nuestro conocimiento sobre las personas para diseñar productos que optimicen el rendimiento, la seguridad, la eficiencia y la satisfacción de la interacción exoesqueleto-humano.
Es mejor centrarse en las personas que sólo en la tecnología, porque la tecnología puede cambiar rápidamente, especialmente en los últimos años. La Figura 5 muestra la evolución durante la última década desde un voluminoso exoesqueleto a una simple ortesis textil para minimizar el efecto temblor, permitiendo a los pacientes realizar cómodamente actividades de la vida diaria como beber o abrir una puerta con las llaves, potenciando su vida independiente.
Figura 5. Evolución de los exoesqueletos desarrollados en el IBV para la reducción del temblor, de exoesqueletos a soluciones textiles.
A continuación, se ofrecen algunos ejemplos de cómo se pueden aplicar los conocimientos, las metodologías y las tecnologías de FH para apoyar el diseño, desarrollo y validación de exoesqueletos.
La antropometría ayuda a mejorar el ajuste a las dimensiones de la población objetivo, permitiendo resolver, entre otras, las siguientes cuestiones (Figura 6):
- Ajuste equilibrado para lograr suficiente presión para garantizar la funcionalidad, pero sin afectar la comodidad.
- Selección óptima del número mínimo de tallas para cubrir la población objetivo.
- Customización o personalización de los ajustes, soportes, etc. con medidas muy precisas.
Figura 6. Aplicación del conocimiento en antropometría para mejorar el diseño.
Para conseguirlo, disponemos de diferentes soluciones escalables, desde escáneres 4D de alta precisión hasta aplicaciones móviles accesibles como 3D Avatar Body o 3D Avatar Feet (Figura 7). Estas soluciones tecnológicas se mejoran gracias a nuestra gran base de datos humana realista (>4.000 usuarios de diferentes países) para identificar las dimensiones antropométricas clave con el fin de cubrir el 90% de la población u optimizar la cantidad de tallas necesarias.
Figura 7. Escalabilidad de las tecnologías de escaneado.
La biomecánica nos permite comprender el movimiento corporal, la activación muscular o el esfuerzo muscular, entre otros. Esto es clave para definir y validar movimientos relativos, permitiendo desarrollar circuitos de control que sigan la biomecánica natural de la población objetivo, por ejemplo, las personas mayores. En este caso, también contamos con tecnología escalable (cámaras de alta velocidad con marcadores, sensores inerciales, cámaras de bajo coste sin marcadores o con marcadores de realidad Aumentada, sensores EMG para medir la actividad muscular, etc.) para pasar del laboratorio a cualquier entorno clínico o al propio domicilio del paciente (Figura 8).
Figura 8. Escalabilidad de las tecnologías para analizar movimientos y análisis avanzados para evaluar la actividad muscular y el esfuerzo físico.
Los enfoques anteriores se pueden combinar con los conocimientos y tecnologías del IBV para medir fuerzas, presión o respuesta térmica cuando se utiliza un exoesqueleto para lograr un equilibrio óptimo entre rendimiento y comodidad, lo cual es especialmente crítico para el uso a largo plazo de estos dispositivos en condiciones reales. Y, por último, sobre todo cuando aumenta la complejidad o hay biofeedback, somos capaces de evaluar la interacción desde un punto de vista cognitivo y emocional, utilizando diferentes medidas fisiológicas como EMG, GSR o HRV más allá de los cuestionarios tradicionales.
¿CÓMO PUEDE AYUDAR EL IBV EN EL PROCESO DE INNOVACIÓN DE LAS EMPRESAS?
El enfoque de IBV no se centra sólo en el ser humano para optimizar la interacción del exoesqueleto, sino también en reducir el tiempo y los costes del proceso de diseño y desarrollo, mejorando la aceptación del mercado, como ha demostrado durante los últimos 20 años.
En resumen, podemos ayudarte en tu proceso de innovación, apoyándonos en:
- Know-How: Nuestra experiencia cubre una amplia gama de áreas que incluyen ergonomía, antropometría, biomecánica, presión, fuerzas, movimientos (con y sin marcadores), señales fisiológicas (ECG, EMG, EEG, GSR), confort térmico, carga cognitiva, respuesta emocional, etc.
- Plan de Factores Humanos, Experiencia de Usuario y Lean: Proporcionamos soporte para acelerar el despliegue de dispositivos médicos y mejorar la satisfacción de pacientes y profesionales, basado en pruebas con usuarios.
- Diseño y desarrollo de exoesqueletos, incluyendo integración de sensores, interfaces amigables (equilibrando usabilidad y estética), soluciones mecánicas o electrónicas.
- Cumplimiento de la MDR y la ISO 13485: Podemos ayudar a las empresas a cumplir con los estándares regulatorios para sus productos y proporcionar diseños certificados por MDR de software, equipos electromédicos y sistemas de implantes para terceros.
- Validación: Los laboratorios del IBV incluyen instalaciones para antropometría, análisis de movimiento, estudios térmicos, realidad extendida, interacción con simulación, cocreación de experiencias de usuario y evaluación del desempeño en condiciones reales. Además, colaboramos con diferentes hospitales y asociaciones permitiendo el acceso a una gran muestra de pacientes y médicos.
La captura precisa de la morfología corporal mediante tecnologías de escaneado 3D permite obtener modelos digitales detallados del cuerpo humano, representando con gran exactitud las medidas, formas, y proporciones individuales. En este sentido, el IBV cuenta con una base de datos de más de 100.000 escaneados corporales 3D de la población mundial.
Figura 9. Redes de clínicas y Asociaciones de usuarios y pacientes que colaboran con el IBV.
AGRADECIMIENTOS
Queremos dar las gracias a todas las empresas que han confiado en nosotros.
BIBLIOGRAFIA y REFERENCIAS
[1] https://www.exo-berlin.de/
https://2024.icneurorehab.org/
[2] https://www.ibv.org/campanya/human-factors/
De la Tejera, J. A., Bustamante-Bello, R., Ramirez-Mendoza, R. A., & Izquierdo-Reyes, J. (2020). Systematic review of exoskeletons towards a general categorization model proposal. Applied Sciences, 11(1), 76.
Morales Casas, A., López Vicente, Z., Solano García, L., and Laparra Hernández, J. (2024). Speed Up Medical Device Innovation: Combining Agile, User Experience, and Human Factors Methodologies. Production Management, Manufacturing, and Process Control (Eds. Beata Mrugalska, Waldemar Karwowski, Tareq Z. Ahram), Cap 6, Pag. 76-91. Edited By.
AFILIACIÓN DE LOS AUTORES
Instituto de Biomecánica de Valencia
Universitat Politècnica de València
Edificio 9C. Camino de Vera s/n
(46022) Valencia. Spain
