La universidad tecnológica de Delft utiliza un sensor de fuerza de HBM en estudios científicos sobre fricción

Los resultados de la investigación podrían traducirse en una nueva tecnología de guiado de la forma de endoscopios

El grupo de investigación sobre ingeniería biomecánica de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) ha empleado un sensor de fuerza de HBM en sus investigaciones de la fricción entre cables de acero y distintos tipos de caucho. A primera vista puede parecer un campo de investigación marginal, pero el caso es que los hallazgos podrían materializarse en nuevas tecnologías de guiado de la forma de endoscopios flexibles (mangueras flexibles de gran longitud con una cámara en el extremo). Existe potencial para obtener importantes ahorros en el sector sanitario. A corto plazo, esta tecnología también se podría aplicar a determinadas aplicaciones policiales y de defensa, como la detección de explosivos o el reconocimiento de espacios confinados.

Transductores de fuerza de HBM

El estudio de la fricción entre cables de acero y caucho formaba parte de la tesis doctoral de Arjo Loeve, que actualmente es investigador postdoctoral. Aquel estudio estaba dirigido al desarrollo de una nueva tecnología de guiado de la forma de los endoscopios que se utilizan para hacer pruebas médicas en pacientes humanos. Durante la inserción de un endoscopio flexible se pueden producir pliegues indeseables en la manguera, con efectos tales como estiramientos dolorosos una vez dentro del intestino del paciente. En el peor de los casos, se pueden producir complicaciones, como la perforación del intestino durante una colonoscopia. Algunos fabricantes ya han introducido tecnologías de guiado de la forma de los endoscopios, pero su funcionamiento es mejorable y resultan extremadamente caros. La mayoría de los endoscopios no cuenta con sistema de guiado de la forma y solo permiten corregir la forma de la manguera de manera limitada.

Módulo de fijación. En primer plano, bloques revestidos de caucho o de cable de acero.

Más rápido y más barato: nueva tecnología para los desafíos sanitarios

La nueva tecnología —resultado de las investigaciones de Loeve— consiste en una manguera de caucho hinchable rodeada de un anillo de cable de acero en el interior de un muelle de acero inoxidable. Se utiliza un líquido para aplicar una tensión a la manguera de caucho. La manguera fuerza entonces el cable de acero contra el interior del muelle, aportando y genera un sistema de guiado rígido  rigidez al guiado del endoscopio. De este modo, el médico o técnico puede realizar la prueba con mayor rapidez, el paciente experimenta menos molestias y el riesgo de complicaciones se reduce notablemente.

Con frecuencia, es preciso interrumpir las endoscopias debido al dolor que experimenta el paciente o a complicaciones. Eso significa que no se detectan todas las anomalías presentes en el paciente y que, a veces, se hacen precisas pruebas adicionales costosas y laboriosas (por ejemplo, TAC) para llegar a un diagnóstico correctos.

Esta nueva técnica permitiría aumentar el índice de exámenes internos que se completan sin dificultades. A diferencia de otras técnicas de guiado de forma, la que se ha estudiado en Delft no requiere una unidad de control cara, lo cual contribuye a que el sistema de endoscopia resulte más accesible. Pero, además, la nueva tecnología simplifica en gran medida la operativa, con lo que no es imprescindible que las pruebas sean realizadas por especialistas de alto coste.

En definitiva, esta nueva tecnología podría ser —potencialmente— una solución perfecta al desafío de la sanidad de ofrecer tratamientos eficientes que reduzcan las estancias hospitalarias, ofreciendo además un ahorro significativo. Esta solución podría dar un gran impulso al desarrollo de tecnologías mínimamente invasivas, técnicas quirúrgicas por endoscopia o cirugía sin incisiones.

Primera investigación sobre la fricción entre cables de acero y caucho

El estudio realizado por el grupo de investigación de ingeniería mecánica fue algo inusual. En la ciencia que estudia la fricción —la tribología— existe una amplia investigación fundamental sobre la fricción entre distintos tipos de materiales. “Sin embargo, se había investigado muy poco sobre la fricción entre cables de acero y caucho”, explica Loeve. El caucho es un material blando, con tendencia a adherirse a otros materiales a escala molecular, lo cual genera mucha fricción.

Curiosamente, el estudio más similar realizado con anterioridad tenía el objetivo de reducir la fricción, ya que estaba dirigido a aplicaciones en cintas transportadoras y prevención del desgaste. En los endoscopios, por contra, lo que interesa es maximizar la fricción, para conseguir un guiado con la mayor rigidez posible. Por otro lado, la mayoría de los tipos de caucho no son muy populares en la medicina, porque no son biocompatibles; en ocasiones liberan sustancias tóxicas o cancerígenas y tienen poca resistencia a la esterilización. En esta nueva tecnología de endoscopios, el caucho no entra en contacto con el cuerpo humano porque está alojado en el interior del dispositivo.

Módulo de fijación. Dos bloques revestidos de caucho, a través de los cuales se pasa otro bloque, envuelto en cable de acero.

¿Qué combinación de materiales genera más fricción?

El estudio examinó tres tipos de caucho y cinco tipos de cable de acero trenzado, en quince combinaciones diferentes. El objetivo consistía en determinar qué tipo de acero y qué tipo de cable producían la máxima fricción. Se utilizaron cables de acero trenzado normales, con espesores entre 0,18 y 0,45 milímetros, del tipo usado en la vida cotidiana; por ejemplo, para colgar cuadros o como cables de frenos de bicicletas. 

El equipo desarrolló una instalación de pruebas, consistente en un módulo de sujeción con dos bloques revestidos de caucho, a través de los cuales se hacía pasar un tercer bloque, envuelto en cable de acero. Se medía tanto la fuerza de sujeción del módulo como la fuerza de tracción del bloque envuelto en cable de acero. La instalación requería un sensor de fuerza adecuado para medir la fuerza ejercida sobre el bloque portador del cable de acero. Esta solución ha permitido evaluar la fricción. El sensor de fuerza tenía que cumplir requisitos específicos en lo que respecta a la precisión y al rango de medición.

Las especificaciones se enviaron a lo que se conoce como el "Meetshop" (el "taller de medición") de la Facultad de Ingeniería Mecánica, Naval y de Materiales, al cual recurren estudiantes y doctorandos para solicitar ayuda en sus aplicaciones de medición. Como el Meetshop tiene mucha relación con HBM (por ejemplo, utiliza su sistema de adquisición de datos MGCplus, no fue ninguna sorpresa que le encargase un transductor de fuerza. El sensor de sometió a fuerzas de hasta 180 kg. Además, el sensor de fuerza no se utilizó solo en las pruebas del módulo de sujeción, sino también en la calibración del módulo de tracción.

“Incluyendo el desarrollo de la instalación de pruebas y los módulos de sujeción, el estudio ha durado un año y medio, y ha generado un gran cuerpo de datos útiles”, añade Arjo Loeve. Tras la publicación del estudio en WEAR, la revista científica sobre tribología, y en IEEE Transactions on Biomedical Engineering, el principio básico de esta tecnología empezó a despertar el interés de otras organizaciones. De hecho, también parece tener aplicación en la rigidización controlable de fórceps durante determinadas operaciones médicas. Los datos de fricción obtenidos de las mediciones están resultando útiles en muchas áreas en las que entran en contacto cables de acero con piezas de caucho. Incluso el ejército y la policía están mostrando interés en probar la tecnología para rigidizar mangueras sobre el terreno. Otras aplicaciones potenciales podrían ser la detección de explosivos y bombas trampa o la inspección visual de espacios confinados.

Sistema de adquisición de datos MGCplus
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