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Biomedicina

Un innovador diseño de casco para proteger a deportistas y soldados

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El prototipo emplea distintos polímeros viscoelásticos para absorber gran parte del impacto que hace que el cerebro 'baile' dentro de la cavidad craneal

  • por Mike Orcutt | traducido por Teresa Woods
  • 09 Febrero, 2016

Hasta ahora, los diseñadores de cascos no han abordado una de las principales causas de las lesiones cerebrales: la energía cinética que recorre la cabeza después de recibir un impacto y que provoca que el cerebro se golpee contra el cráneo. Así lo cree la profesora de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan (EEUU) Ellen Arruda, que lidera un esfuerzo por cambiar esto mismo. Arruda ha presentado el prototipo de una nueva tecnología de cascos capaz de disipar una cantidad importante de esa energía cinética, también conocido como impulso, antes de que alcance al cerebro.

Los cascos de fútbol americano han evolucionado con los años, y algunos de los cambios reflejan los esfuerzos por mitigar el riesgo de lesiones cerebrales. Pero, mientras que se les da bien absorber la fuerza de un impacto y por tanto prevenir las fracturas craneales, ningún casco disponible actualmente en el mercado es capaz de absorber la mayoría del impulso, afirma Arruda. Los cascos militares se enfrentan al mismo problema.

Foto: Un casco convencional de fútbol americano

En unos ensayos de laboratorio que emplearon un modelo del cráneo y otro del cerebro, el prototipo del equipo de Arruda redujo tanto la fuerza de los impactos como el impulso resultante en una orden de magnitud en comparación con el diseño tradicional del casco.

El principal reto de diseñar un casco que proteja al cerebro además del cráneo es mecánico, asegura Arruda, y eso requiere encontrar los materiales adecuados para la tarea. El cráneo está hecho de un material elástico, lo que significa que no puede absorber gran parte del impulso, afirma Arruda. El cerebro acaba llevándose la peor parte, y puesto que flota en un líquido cefalorraquídeo y no está conectado al cráneo, se produce un bailoteo, lo que provoca lesiones (ver Este collar promete prevenir los riesgos neurológicos de los golpes en la cabeza).

Un casco que se fracture o se deforme después de recibir un impacto podría proteger al portador frente a este fenómeno. Pero, mientras que podría representar una buena manera de proteger a soldados o ciclistas, un casco práctico de fútbol americano ha de sufrir golpes repetitivos, y seguir utilizándose después del partido. Arruda explica: "Nuestro enfoque tiene el objetivo de poder ser utilizado una y otra vez". La clave del nuevo diseño es un material con unas propiedades viscoelásticas, lo que significa que cuando se deforma, exhibe características que se parecen al mismo tiempo a los materiales viscosos, como la miel, y a los materiales elásticos, como la goma. Los materiales viscoelásticos son empleados de forma más amplia en los amortiguadores.

Foto: La capa externa (blanca) del prototipo está hecha de un polímero relativamente rígido. Las siguientes dos capas (negras) son de un polímero menos rígido seguido por un material viscoelástico. La cuarta capa es de una "espuma de confort" como la que se emplea en los cascos convencionales. Las últimas capas, utilizadas para las pruebas, actúan como sustituto para el cráneo y el cerebro.
Foto: Un primer plano del prototipo.

El nuevo prototipo está hecho de tres polímeros de bajo coste, incluido uno viscoelástico. El trío funciona de forma conjunta para absober la onda de presión que recorre la cabeza después de un impacto. Arruda y sus compañeros desarrollaron un sistema que depende de las propiedades de las primeras dos capas para "configurar" la onda de tal forma que cuando impacte con la capa de viscoelástica, su frecuencia se encuentre dentro del rango que puede ser captado por el material. El mismo principio, que los investigadores describen en un artículo publicado recientemente, también podría ser utilizado para fabricar mejores cascos para soldados.

El equipo ganó recientement un premio de 250.000 dólares (unos 225.000 euros) por figurar entre los cinco finalistas de una competición financiada por la Liga Nacional de Fútbol Americano estadounidense, General Electric, Under Armour y el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés). La competición se centra en los materiales innovadores para cascos. Los investigadores disponen ahora de otro año para ajustar su diseño y presentárselo al NIST, que entonces realizará unas pruebas adicionales y designará un ganador.

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