Diseñan casco mexicano para astronautas y pilotos

Las condiciones físicas a que se somete un ser humano al exponerse a condiciones de microgravedad cuando viaja al espacio tienen un gran impacto en el comportamiento del organismo; por ejemplo, en la estabilidad y orientación espacial, aspectos muy relevantes que se consideran en el área espacial y aeronáutica, que es el tema de estudio de un grupo de investigación en Puebla que plantea una solución para estos efectos.

Se trata de un casco con dispositivos electrónicos diseñado por estudiantes e investigadores del Instituto de Fisiología de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), liderados por el doctor Enrique Soto Eguibar, cuyo objetivo es devolver la sensación de atracción gravitatoria en los astronautas por un sistema basado en microsensores ubicados en la parte frontal del casco y un microcontrolador que opera el modelo matemático de la función vestibular.

Proyecto médico y espacial

Esta investigación se basa en el conocimiento de la fisiología del sistema vestibular. Este sistema es el encargado de producir reflejos oculares para estabilizar la mirada y la postura, mantener el equilibrio, generar reflejos ortostáticos, así como un marco de referencia egocéntrica y de desplazamiento del sujeto en su entorno. Funciona con base en células ciliadas que registran aceleraciones lineales y angulares, las primeras dadas por la gravedad o un desplazamiento.

Este sistema es polisensorial ya que la entrada de información que proviene del vestíbulo se complementa con información visual y táctil que se integra para generar reflejos al sistema motor, a la médula espinal y se transmite también a la corteza cerebral para producir procesos cognitivos. “Cuando este sistema falla, comienzan a sentirse mareos, alteraciones en la fijación visual y en el movimiento o rotación aparente del medio exterior y, finalmente, la pérdida de equilibrio que produce caídas, una de las principales causas de muerte en ancianos”, explicó el especialista.

Es un proceso esencial en la generación de procesos cognitivos y en el esquema e imagen corporal. Este sistema se altera gravemente en los astronautas, pues en la microgravedad es imposible definir el arriba y el abajo debido a la falta de atracción gravitatoria. Además, explicó, al no existir esta condición, los brazos de una persona en el espacio dejan de pesar, por lo que la información del entorno obtenida de forma táctil para este sistema es completamente diferente a lo que sucede en la Tierra.

Ciencia para resolver problemas

Desde el año 2002, junto con colegas de la Universidad de California y de la Universidad Estatal de Moscú, el investigador mexicano inició un proyecto para determinar la factibilidad de crear una prótesis vestibular con el uso de microgiróscopos vibracionales y microacelerómetros. Con base en los resultados obtenidos se concluyó que los órganos artificiales funcionan perfectamente al imitar las acciones naturales del organismo por lo que los científicos del proyecto pusieron en marcha esta premisa. “Le dimos un enfoque neuromimético, es decir, reproducir exactamente lo que hacen los sistemas naturales en un sistema artificial”, agregó.

Para esto se caracterizaron los procesos de codificación sensorial en el vestíbulo y se realizó el diseño y pruebas comparativas de un sistema vestibular natural y un sistema artificial. Se desarrollaron algoritmos y procesos neuromiméticos para crear un sistema de procesamiento para obtener un teórico sistema prostético. Finalmente se creó un sistema de pruebas que tuviera la capacidad de probar el sistema final artificial sin hacer uso de personas o animales basado en la bioingeniería, “le otorgamos dos o tres grados de libertad al sistema y tuvo que controlar una serie de motores y procesos para estabilizar un muñeco metálico. Este sistema de pruebas nos otorgó una patente rusa en 2010”, añadió el investigador.

Una vez con el dispositivo artificial vestibular, la investigación encontró dos vertientes: la aplicación médica a personas con daño vestibular y una vertiente potencial en la aeronáutica. El desarrollo de la vertiente médica derivaría en una inversión muy alta debido a las diferentes etapas de pruebas clínicas a las que son sometidos los productos del sector; sin embargo, al tratarse la parte aeronáutica existiría un canal abierto por la colaboración que los investigadores del proyecto tienen con colegas rusos de la Universidad Estatal de Moscú, el Instituto de Problemas Médico Biológicos y el Centro de Entrenamiento de Cosmonautas.

Medicina, ciencia y espacio

Para el desarrollo de la aplicación espacial y aeronáutica completa se obtuvo el oído de un anfibio y de un mamífero bajo condiciones in vitro para su correcto funcionamiento; posteriormente se colocaron en plataformas rotatorias en donde se registró la actividad eléctrica de los canales semicirculares —detectores de aceleraciones angulares— y los órganos otolíticos —detectores de aceleraciones lineales—. “Estos en el caso de los pilotos de aviones se suman por la atracción gravitatoria de la Tierra y el impulso de la masa inercial, por lo que se deben integrar detectores de ambas aceleraciones para conocer qué tan inclinada se encuentra una persona en una nave”, explicó.

Rotar en una plataforma estos órganos es similar al giro de la cabeza y producen una respuesta de las neuronas aferentes del vestíbulo. El dispositivo diseñado implementado tiene la capacidad de detectar vibraciones y desplazamientos. “Estas pruebas nos permitieron conocer que un giróscopo y el canal semicircular de un anfibio —que es altamente similar al nuestro—, sí son capaces de medir desplazamientos direccionales y vibracionales”, comentó.

Finalmente se decidió que el dispositivo no fuera implantable sino con estimulación galvánica vestibular, es decir mediante un casco que devolviera la sensación y estabilización. Este cuenta con campos en diferentes regiones localizados alrededor del oído en dirección a los canales semicirculares para hacer estimulaciones galvánicas de superficie con corrientes eléctricas pequeñas. Para esto se desarrolló un sistema de estabilometría que permitió en una primera etapa conocer el estado de equilibrio de las personas estudiando el efecto de la estimulación galvánica vestibular en sujetos con ojos abiertos, teniendo en cuenta que el público objetivo serían astronautas y pilotos. Esto último otorgó una segunda patente a la investigación en México.

La importancia de implementar un dispositivo que devuelva a los astro o cosmonautas la sensación de direccionalidad que proporciona la atracción gravitatoria permitirá que en la microgravedad los sujetos que usan el dispositivo no padezcan algunas ilusiones que se presentan en microgravedad, por ejemplo, “si en Tierra se hace girar un disco, la vista lo seguirá de forma normal; si se realiza en el espacio, la persona sentirá que el que gira es él y no el disco”, abundó el investigador.

Además, la estabilización de la mirada en el espacio es mucho más lenta que en la Tierra, pues cuando un astronauta mueve los ojos para observar algo, la mirada no se estabiliza inmediatamente porque hay alteraciones en los mecanismos de control reflejo, “tarda 1.5 segundos en estabilizarse. Quiere decir que cuando un astronauta voltea la mirada, durante más de un segundo no puede ver nada”.

Actualmente los astronautas sufren estos efectos pero los contrarrestan con el razonamiento de las condiciones en que se encuentran y el entrenamiento arduo al que son sometidos antes de viajar. Se sabe que aun al volver a la Tierra los astronautas tienen problemas en la estabilización de la mirada, pues su sistema, al sufrir alteraciones, induce un cambio plástico que modifica un retardo en la estabilización.

Es por lo anterior que el dispositivo de sustitución sensorial que se ha desarrollado, el cual ha sido protegido mediante una patente en los Estados Unidos otorgada en 2014 y complementado por una patente rusa otorgada en 2015, puede tener una importante aplicabilidad en la astronáutica. Este se basa en un casco que se encuentra operativo y está siendo actualmente construido por la Agencia Espacial Rusa, Roscosmos.

En 2015 fueron lanzados los sensores del casco a bordo de un pequeño satélite educativo de colaboración internacional para conocer el correcto funcionamiento de giróscopos y acelerómetros del dispositivo en el Experimento IMIS. Existe un acuerdo aprobado para realizar pruebas a bordo de la Estación Espacial Internacional en 2017 o 2018. Posteriormente entre 2018 y 2019, un cosmonauta utilizará el casco en el espacio con estimulación galvánica vestibular para finalmente conocer su efectividad para devolver a los astronautas la sensación de verticalidad y mejorar la estabilización de la mirada en el espacio.

Fuente: CONACYT.