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Robotica e IA Sistemi Protesici

HANNES è la nuova mano protesica dalla robotica italiana

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Si tratta di una delle protesi di arto superiore più promettenti del panorama internazionale e viene dal Rehab Technologies, un laboratorio nato dalla collaborazione tra INAIL e Istituto Italiano di Tecnologia, . Si chiama Hannes, ed è in grado di restituire al paziente il 98% delle funzionalità perse. Il progetto iHannes unisce al progresso tecnologico la ricerca dell’accessibilità economica, per poter raggiungere anche i pazienti assistiti dal Sistema Sanitario Nazionale.

Il progetto iHannes

Le protesi di arto superiore ad oggi in commercio si inseriscono principalmente in due categorie di mercato: protesi semplici, molto robuste ed economiche ma dotate di poche funzionalità; e protesi molto complesse, potenzialmente dotate di molte funzionalità, ma costose, delicate e di difficile controllo da parte dei pazienti. In questo scenario è stato fondato Rehab Technologies, laboratorio che si pone l’obiettivo di studiare soluzioni ad alto contenuto tecnologico ma economicamente accessibili per pazienti con disabilità.

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È In questo laboratorio che è nata Hannes (Figura 1), protesi di derivazione robotica il cui nome rende omaggio a Johannes “Hannes” Schmidl, l’ortopedico austriaco che diede inizio all’attività di ricerca al Centro Protesi INAIL sito a Budrio. Si tratta di un sistema protesico di arto superiore antropomorfo, a controllo mioelettrico – controllato quindi dall’attività muscolare dell’utilizzatore. È inoltre un sistema poliarticolato, comprendente mano e polso, che ha la capacità di adattarsi, in modo dinamico, alla forma degli oggetti da afferrare.

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Figura 1. Hannes, la protesi robotica nata dalla collaborazione di IIT e INAIL. Credits: Distretto Biomedicale

Da mano robotica a protesi di arto

Come piattaforma di base è stata scelta SoftHand, mano robotica ad uso industriale. I ricercatori del Rehab Technologies Lab ne hanno implementato le prestazioni portando il dispositivo a sopportare da 3000 a 500’000 cicli di lavoro e migliorandone l’aspetto estetico per renderla idonea alla sperimentazione clinica.

È possibile produrre diversi tipi di invaso in funzione del livello di amputazione del soggetto ed è scalabile in diverse taglie, per persone di entrambi i sessi, mancine o destrorse (Figura 2).

Nella progettazione del dispositivo il paziente è stato coinvolto attivamente: questo rende la protesi di uso pratico, disegnata in funzione delle necessità degli utilizzatori. Inoltre, il tempo necessario al paziente per apprendere come utilizzare la protesi è molto breve: studi pilota hanno dimostrato che entro una settimana i pazienti sono in grado di utilizzarla in modo autonomo. Infine, la protesi è autonoma per 24 h, permettendo di essere utilizzata per tutta la giornata senza necessità di caricarla.

Hannes mano protesica poliarticolata data sheet inail iit
Figura 2: Caratteristiche tecniche e funzionalità. Credits: Distretto Biomedicale

Caratteristiche di funzionamento

Il dispositivo è dotato di tre blocchi di funzionamento, che cooperano tra di loro:

  • modulo di attuazione, che mobilita le dita e il polso;
  • modulo di sensing, costituito da sensori elettromiografici (EMG) per recuperare il segnale muscolare del soggetto;
  • modulo di controllo elettronico, che traduce il segnale elettromiografico in un segnale elettrico.

I sensori EMG superficiali rilevano l’attività dei muscoli residui dell’arto amputato, contratti volontariamente dal paziente. Il circuito elettronico prende quindi in ingresso questi segnali e li converte in segnali elettrici – interfacciabili con i motori in corrente continua – i quali attivano il movimento delle dita.

Il motore e la scheda di controllo elettronico sono integrati nella mano mioelettrica, mentre i sensori EMG sono posizionati nell’invaso. I sensori sono di superficie, quindi l’intero sistema è completamente non invasivo. Il meccanismo di flesso-estensione del polso è invece posizionato a cavallo tra motore e sensori, all’altezza del polso stesso (Figura 3).

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Figura 3. Architettura di Hannes: e posizionamento dei principali componenti: motore, sensori elettromiografici e sistema di controllo elettronico. Credits: Science Robotics.

Caratteristiche aggiuntive

È importante sottolineare che Hannes, come tutte le protesi mioelettriche ad oggi in commercio come dispositivi medici, non implementa un modulo di feedback. Il paziente quindi non ha un ritorno sensoriale associato al tatto, se non la vista.

La protesi è invece dotata di un modulo bluetooth che, grazie ad un software appositamente sviluppato, permette di personalizzare da remoto i parametri di funzionamento della mano, quali la precisione e la velocità dei movimenti.

Mobilità e controllo

Hannes permette di effettuare più di una presa tridigitale, nonostante non può muovere singolarmente le dita – scelta che è stata presa in favore della movimentazione del polso e della mano in toto.

Infatti, grazie alla movimentazione del pollice, questa protesi riesce ad effettuare:

  • presa fine – per oggetti piccoli, per la scrittura o per operazioni di precisione. Con questa presa si possono afferrare anche oggetti cilindrici;
  • presa laterale – per oggetti dal profilo sottile come carte, chiavi, etc;
  • una presa di forza – per oggetti grandi o pesanti.

Nella posizione di riposo le dita rimangono leggermente flesse, così da assumere una posizione più naturale.

In base al tipo di attività, c’è poi la possibilità di usare diversi guanti in silicone, da indossare come copertura dei meccanismi, adatti a oggetti o attività di diverso tipo (Figura 4).

Hannes mano robotica guanto silicone
Figura 4. Un esempio di guanto in silicone indossabile da Hannes. Credits: Rehab Technologies Lab

Parlando di mobilità, le dita lunghe (indice, medio, anulare e mignolo) possono unicamente effettuare il movimento di flesso-estensione, mentre il pollice è atteggiabile in 3 differenti posizioni, così da ottenere le tre prese descritte precedentemente (presa fine, laterale e di forza). Il polso invece è flessibile e girevole: essendo infatti motorizzato può ruotare tra 0° e 180° in torsione, mentre per la flesso estensione il range angolare è di +/- 70°.

Algoritmo di controllo basato sul segnale elettromiografico residuo

Sebbene le mani poliarticolate posseggano dita indipendenti, che Hannes invece non possiede, spesso il paziente non riesce comunque a controllare in modo indipendente le dita con le tradizionali strategie di controllo. Hannes è invece controllata tramite elettromiografia di superficie, in modo intuitivo ed efficace, grazie all’utilizzo di algoritmi di pattern recognition – tecnica di machine learning grazie alla quale la macchina viene allenata a riconoscere determinati segnali e a replicarli quando questi si presentano nuovamente.

In particolare, vengono studiati per ogni paziente i segnali associati al moncone e si allena l’algoritmo di intelligenza artificiale su quei segnali, di modo che il paziente, una volta indossato l’arto, sia in grado di muovere l’arto anche solamente pensando a quel movimento.

Progressi nella ricerca e obiettivi futuri

Ad oggi, il lavoro su Hannes è ancora in corso. Il progetto iHannes ha infatti dato vita al progetto HannesArm, che ha l’obiettivo di espandere le funzionalità del sistema con lo sviluppo di un’articolazione attiva di spalla, nonchè lo studio di strategie di controllo innovative che consentano ai pazienti la gestione di un sistema complesso.

Inoltre si sta sperimentando l’opportunità di impiantare Hannes in un paziente attraverso una particolare pratica chirurgica, ovvero la re-innervazione muscolare mirata (TMR) associata all’osteointegrazione. L’obiettivo è quello di ottenere un controllo diretto più semplice da parte del paziente sul dispositivo, aumentando le funzionalità delle protesi fornite ai pazienti con amputazione prossimale.

Video: Hannes, the Prosthetic Robotic Hand developed by Rehab Technologies IIT-INAIL lab.
Credits: INAIL – Marco Zambelli presenta “Hannes”, la mano robotica di Inail e IIT

Fonti e approfondimenti
  • Science Robotics – The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties ofthe human hand;
  • INAIL – Conferenza stampa di presentazione della mano protesica Hannes;
  • INAIL – Marco Zambelli presenta “Hannes”, la mano robotica di Inail e IIT;
  • INAIL – “Hannes”, la mano protesica di derivazione robotica sulla copertina della rivista scientifica “Science Robotics”;
  • IIT – HANNES;
  • INAIL – iHannes Project
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Informazioni autore

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Francesca Schettino

Studentessa in ingegneria biomedica presso l'Università Campus Bio-Medico di Roma, mi sono laureata ad ottobre 2021 in ingegneria industriale con una tesi riguardo la sicurezza dei lavoratori nell'ambito dei trasporti pubblici.
Appassionata di tecnologia ed innovazione mi piace coniugare competenze tecniche e capacità comunicative.

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