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Robotica e IA Sistemi Protesici

Una mano bionica integrata consente di controllare le dita come un cyborg

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Se fino a questo momento l’integrazione completa della protesi con l’organismo rimaneva un’idea verosimile ma non così realizzabile, oggi risulta molto vicina. Infatti lo scorso luglio è stato pubblicato un articolo, sulla rivista Science Translation Medicine, che mette in evidenza la possibilità di un ottimo controllo su una protesi cibernetica da parte di un paziente amputato.

Cibernetica

La cibernetica è una disciplina che si occupa dello studio di tutti i processi di comunicazione tra animale, o in generale essere vivente, e macchina. Nello studio cibernetico si parte dall’assunto secondo cui uomo e macchina abbiano dei processi di comunicazione “analoghi” che possono quindi essere studiati nell’uomo e replicati nella macchina.

I cosiddetti cyborg sono dunque persone che, attraverso interventi chirurgici di integrazione uomo macchina, riescono a comunicare con quest’ultima come se fosse parte integrante del loro corpo, ottenendo così un completo embodyment del dispositivo.

La cibernetica si fonda sulla bionica, scienza che studia la natura dei segnali prodotti dall’uomo e quelli prodotto dalla macchina e ne valuta la relazione. In particolare tale disciplina studia come rendere i segnali elettrici prodotti dall’uomo leggibili dalla macchina, così da consentire un’attuazione di quest’ultima, e allo stesso modo studia come rendere leggibili i segnali elettrici prodotti dalla macchina per l’uomo, in modo da produrre un feedback sul soggetto.

Ad oggi i cyborg fantascientifici proposti dall’industria cinematografica non esistono ancora, ma grazie alla stretta collaborazione tra ingegneria e medicina si sta riuscendo ad avvicinarsi a questo tipo di risultato.

La cibernetica in ambito biomedico

In particolare, gli ambiti di applicazione principali per la cibernetica sono la protesica di arto superiore ed inferiore, oltre che l’impianto di elettrodi a livello del sistema nervoso centrale per consentire la movimentazioni di braccia robotiche esterne a pazienti tetraplegici.

Lo studio e l’impianto di mano bionica

Un ulteriore passo avanti nella cibernetica è stato fatto da un gruppo di ricerca internazionale, coordinato dal Centro svedese per la Ricerca sulla Bionica e sul Dolore di Göteborg, con la collaborazione dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna e la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa.

Per la prima volta, si è riusciti a impiantare una mano bionica nel corpo umano, rendendola completamente integrata con l’organismo grazie all’impianto chirurgico di sensori neuromuscolari.

Questo ha permesso al paziente, amputato al di sopra del gomito, il controllo su ogni dito della mano artificiale in modo indipendente (Figura 1). Le protesi fino a ora prodotte avevano al più un controllo tridigitale, in cui indice pollice e medio si muovevano indipendentemente; al contrario anulare e mignolo erano vincolati al movimento del medio. L’intervento è avvenuto presso l’ospedale universitario Sahlgrenska, dove ha sede il CBPR.

mano bionica cibernetica
Figura 1. Un paziente amputato di arte superiore indossa la mano bionica nel laboratorio del Center of Bionics and Pain research – Credits: Center of Bionics and Pain research

Gli innovativi moduli di controllo della protesi

Tecnologie come la reinnervazione muscolare mirata (TMR) e l’interfaccia mioelettrica agonista-antagonista (AMI) cercano di introdurre tecniche chirurgiche per il ripristino del feedback sensorimotorio, oltre che di consentire al sistema di attuazione di muovere più finemente l’arto robotico.

Nello studio portato avanti dal Centro per ricerca bionica e dolore, proprio la TMR è stata protagonista dell’intervento – in cui si sono selezionati dei nervi periferici poi ridistribuiti su nuovi bersagli muscolari. In particolare la procedura chirurgica ha previsto il prelievo di tessuto muscolare dagli arti inferiori, che sono stati poi impiantati nel braccio con l’obiettivo di ottenere nuovi siti muscolari ai quali sono stati collegati i nervi. Questa mano bionica può quindi accedere a una rosa molto più ampia di informazioni, affinchè il paziente possa comandare in modo indipendente le singole articolazioni robotiche attraverso opportuni algoritmi basati sull’intelligenza artificiale.

Al contrario, le protesi più comuni risultano spesso difficili da controllare e offrono movimenti molto limitati, poichè il controllo protesico è di natura mioelettrica (a seguito della contrazione volontaria di un muscolo residuo da parte del paziente, si può ottenere un movimento dell’arto robotico). Un altro grande limite delle protesi ad oggi in commercio è l’assenza di un feedback sensoriale che, se implementato, produce stimoli innaturali con tecnologie che consumano molta energia e che sono rumorose.

Ancora più nello specifico, con il nuovo “braccio bionico” sono stati studiati diversi movimenti che replicano attività di vita quotidiana (Video 1), quali:

  • Il controllo di tutte le dita per l’afferraggio di una brocca d’acqua, fatta versare in un altro contenitore;
  • il controllo in presa di precisione di indice e pollice per l’afferraggio di un foglio di carta, associata alla rotazione del polso per ottenere il rovesciamento del foglio;
  • la flessione del pollice seguita alla flessione delle altre dita e rotazione polso per fissare una vite utilizzando un cacciavite;
  • l’afferraggio palmare di un oggetto sferico.
Video 1. Controllo simultaneo e proporzionale di una mano bionica. Credits: CBPR

Osteointegrazione

Innovativo in questa pratica chirurgica è anche l’utilizzo dell’osteointegrazione, tecnica ancora non molto diffusa in Italia ma che si sta diffondendo in molti altri paesi. L’osteointegrazione prevede la fusione di un impianto in titanio con l’osso del moncone. Nel nuovo studio, i cavi degli elettrodi impiantati nel braccio vengono fatti passare dall’impianto e raggiungono la protesi senza essere visibili all’esterno (Figura 2).

La protesi del CBPR viene infatti agganciata all’impianto, senza un invaso che può potenzialmente danneggiare il tessuto molle del moncone e provocare disagio al paziente.

Quella appena descritta è la stessa tecnica di ancoraggio utilizzata per gli impianti dentali e permette una connessione a livello sia meccanico che elettrico tra corpo umano e dispositivo robotico.

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Figura 2. Illustrazione degli elettrodi impiantati nel braccio, a confronto con l’immagine a raggi X del paziente, che evidenzia l’impianto osteointegrato in titanio e gli elettrodi utilizzati sui nervi e sui muscoli. Credits: CBPR

Risulta importante sottolineare come gli elettrodi associati ai muscoli possono rilevare l’intenzione del movimento, e servono quindi la via efferente che conduce il segnale dal cervello alla protesi. Gli elettrodi sui nervi sono invece elettrodi di stimolazione, che servono la via afferente e permettono al soggetto di avere un ritorno sensoriale (Video 2).

Risvolti futuri

La riuscita dell’intervento è dovuta alla combinazione di nuove tecniche microchirurgiche con elettrodi impiantati, che forniscono il controllo di un braccio protesico e un feedback sensoriale. Le prospettive che apre questa ricerca sono luminose e promettono ai pazienti che hanno subito l’amputazione del braccio un futuro migliore. Inoltre il sistema risponde nelle attività della vita quotidiana. Migliorando ulteriormente il controllo della mano bionica, si possono ottenere performance che consentirebbero ai pazienti di avere una quasi totale autonomia nel movimento.

Occorre però sottolineare che la mano robotica, una volta impiantata, ha richiesto anche molto apprendimento da parte dell’utente e del dispositivo stesso. Tuttavia i tempi sono stati contenuti e le performances sono risultate ottime rispetto a quelle ottenute da altri studi analoghi.

Dati i risultati eccezionali, il paziente amputato è riuscito a partecipare al Cybathlon, le olimpiadi dei cyborg organizzate dall’ETH di Zurigo.

Video 2. Dettaglio del posizionamento degli elettrodi e della pratica di osteointegrazione, con conseguente controllo intuitivo e naturale di ogni singolo dito della mano bionica. Credits: CBPR

Fonti e approfondimenti:
  • Science Translational Medicine – Improved control of a prosthetic limb by surgically creating electro-neuromuscular constructs with implanted electrodes
  • Research Library – Center for bionics & Pain research
  • Ansa – Come un cyborg, la mano bionica integrata nel corpo GUARDA
  • Sant’Anna News – Innovazioni chirurgiche e ingegneristiche all’avanguardia consentono un controllo sulle dita di una mano bionica. Pubblicato lo studio coordinato dal Center for Bionics and Pain Research. Il ruolo della Scuola Superiore Sant’Anna
  • Fortune Health – Mano bionica, paziente ‘ingegnerizzato’ muove le dita in modo naturale/VIDEO
  • Center for Bionics and Pain Research – Bionic arm – A pioneering union between man and machine
  • Treccani – Definizione di Cibernetica
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Informazioni autore

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Francesca Schettino

Laureanda magistrale in ingegneria biomedica presso l'Università Campus Bio-Medico di Roma, sto svolgendo il mio tirocinio di tesi presso la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa.
Appassionata di tecnologia ed innovazione mi piace coniugare competenze tecniche e capacità comunicative.

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