Trabalhando para um futuro coração artificial

A implantação de um coração artificial total oferece uma solução para pacientes com insuficiência cardíaca grave, mas os corações artificiais existentes apresentam grandes limitações, o que significa que há necessidade de uma alternativa melhor. Através da sua investigação de doutoramento, Luuk van Laake contribuiu para o desenvolvimento de um futuro coração artificial baseado em robótica suave.

Sua inovação é o uso de uma válvula macia que faz com que os músculos artificiais se contraiam e relaxem periodicamente, bombeando o sangue pelo corpo sem o uso de eletrônicos. Van Laake defendeu sua dissertação no Departamento de Engenharia Mecânica no dia 5 de outubro.

A robótica suave é um campo de pesquisa relativamente novo, mas dinâmico e multidisciplinar, que explora os benefícios de materiais e estruturas macios e flexíveis. Muitas pesquisas em robótica leve são baseadas na biomimética, ou na criação de soluções inovadoras inspiradas na natureza.

“Suavidade e flexibilidade são onipresentes na natureza e desempenham um papel essencial em uma variedade de funções vitais”, explica Van Laake. “Pense, por exemplo, na cauda de um peixe, que funciona com mais eficiência porque é flexível, ou em um polvo, que pode rastejar por um buraco muito pequeno porque pode comprimir seu corpo, ou na tromba de um elefante, que pode agarrar todos os tipos de objetos.”

Inteligência incorporada e autonomia

Os pesquisadores de robótica leve estudam esses benefícios das estruturas leves – como resiliência, eficiência ou versatilidade – e exploram como os princípios subjacentes podem ser aplicados em nossos dispositivos. Por exemplo, na robótica suave, muito trabalho foi feito em garras macias que se adaptam automaticamente ao formato do que estão segurando, como uma mão humana ou a tromba de um elefante.

“Com uma pinça macia, você pode agarrar todo tipo de coisa sem ter que projetar uma nova pinça a cada vez”, explica ele. “Mas o controle também é mais fácil. Basta dizer ‘agarrar’, em vez de ter que controlar o movimento em detalhes.”

Esta inteligência inerente à própria mecânica, sem o uso de electrónica ou software, é um exemplo básico de inteligência incorporada. Van Laake diz: “Como existem partes moles no robô, você obtém um sistema que se adapta automaticamente ao seu ambiente”.

Isto se aplica à pinça, mas em um nível mais avançado, este princípio também está subjacente à sua pesquisa de doutorado. Nele, ele demonstra que um coração artificial macio pode ajustar automaticamente sua frequência cardíaca à pressão arterial do paciente, sem o uso de eletrônicos no coração e sem sinais de controle externos. “Se você pensar cuidadosamente sobre a combinação de controle, mecânica e ambiente, poderá criar robôs leves que trabalhem de forma autônoma”, afirma.

A sua dissertação insere-se no projeto “Hybrid Heart” financiado pela UE, no qual um consórcio de parceiros trabalha para desenvolver um coração artificial, também denominado “coração artificial total” (TAH), baseado em tecnologia de robótica suave.

O consórcio reuniu três coisas: engenharia de tecidos in situ (trazendo uma substância para dentro do corpo que é decomposta e substituída pelas próprias células do corpo), robótica suave para a estrutura mecânica e controle e uma tecnologia para enviar a energia sem fio no corpo – algo como um carregador de telefone sem fio – o que permite que a pele do paciente permaneça intacta.

“Se você conseguir reunir essas três coisas, poderá criar o coração artificial ideal”, diz o Ph.D. candidato, que deu ele próprio um contributo no domínio do controlo.

“Atualmente existem dois TAH que já oferecem uma solução para pacientes com insuficiência cardíaca grave, mas ambos apresentam grandes limitações”, continua. “Eles são feitos de materiais rígidos, então o sangue flui de maneira diferente do coração humano, onde tudo está em constante movimento, e isso pode levar a coágulos sanguíneos. Isso requer medicação que, por sua vez, tem efeitos colaterais, por isso não é o ideal.”

“Além disso, os TAH existentes são atualmente utilizados apenas como uma solução temporária para pacientes que aguardam um doador de coração; não é uma solução adequada a longo prazo por várias razões”, continua ele. “Por exemplo, um tubo passa por um orifício no peito do paciente, conectando o coração artificial a um dispositivo fora do corpo do paciente. Como o tubo passa pela pele, há risco de infecção e você nunca pode desconectar o dispositivo , o que restringe bastante a mobilidade do paciente.”

Uma alternativa suave

A aplicação da robótica suave resulta em uma circulação sanguínea mais natural. Combinado com a engenharia de tecidos in situ, isso elimina a necessidade de medicação. Além disso, um coração mole cabe mais facilmente em qualquer corpo porque é mais leve, menor e deformável.

“Um benefício adicional é que você também pode realizar compressões torácicas em um coração mole, enquanto para os corações artificiais atuais, o socorrista realmente não pode fazer nada se algo der errado”, acrescenta.

“O desafio é projetar um coração artificial que dure anos. Reduzir drasticamente o número de componentes ajuda nesse sentido. Fazemos isso substituindo válvulas controladas eletricamente e outros componentes eletrônicos por peças mecânicas macias, tanto quanto possível.”

Garrafa de ketchup

Em vez de um controlador eletrônico, Van Laake desenvolveu a chamada válvula histerética, que pode criar batimentos cardíacos. O princípio é surpreendentemente simples e pode ser entendido de forma fácil e intuitiva. Isso ocorre porque a válvula nada mais é do que a pequena membrana de borracha que todos conhecemos da tampa de um frasco de ketchup. “Meu orientador de doutorado fez sua pesquisa de doutorado nos Estados Unidos. Um dia, quando estava em uma lanchonete, ficou fascinado pelo comportamento da tampa do frasco de ketchup. Resolvi explorar mais a ideia”, explica.

A ideia é que, sob certas condições, um fluxo de ar contínuo resulte em um comportamento cíclico e pulsante. “Quando você aperta cada vez mais um frasco de ketchup, nada acontece por um tempo, até que de repente o ketchup esguicha, após o que o processo se repete”, explica Van Laake.

O mesmo mecanismo é aplicado no coração artificial mole utilizando a válvula histerética. “Você sopra um fluxo constante de ar no sistema, o que aumenta a pressão na frente da válvula. Quando pressão suficiente é acumulada, o ar comprimido flui repentinamente através da válvula para os músculos artificiais do coração artificial macio, causando o coração para se contrair”, explica ele.

Isso redefine o processo que então começa a se repetir. O resultado é uma alternância periódica de contração e relaxamento, mas baseada puramente na mecânica, sem controle eletrônico externo.

Aplicação mais ampla

Van Laake também aplicou a válvula histerética que desenvolveu em robôs com múltiplos músculos artificiais que precisam se contrair em uma determinada ordem para funcionar corretamente. Entre outras coisas, ele criou uma mão robótica que pode tamborilar os dedos e um minirobô ambulante cujas quatro pernas dão passos alternados.

Devido à forma como o controle funciona e porque as pernas são macias, um robô ambulante pode sentir o que está ao seu redor, permitindo-lhe, por exemplo, virar-se se tocar na parede. Como tal, este sistema extremamente simples tem uma ampla gama de aplicações.

Experimentos mostraram que o mecanismo funciona e que o coração artificial pode bombear o sangue dessa forma, sem o uso de eletrônicos. Porém, antes de poder ser implantada nos primeiros pacientes, diversas questões ainda precisam ser resolvidas, como o projeto de uma bomba que possa ser implantada com segurança.

Portanto, o projeto promissor recebeu agora uma subvenção de acompanhamento e um novo consórcio, composto por parceiros atuais e novos, irá desenvolver ainda mais o coração artificial mole. Van Laake ainda não tem certeza se fará parte do novo consórcio, mas continuará envolvido no projeto de qualquer maneira, pois é muito caro ao seu coração (sem trocadilhos).