PRISMA Hand II è tra gli ultimi risultati di MUSHA, un progetto di ricerca italiano per lo sviluppo di strumenti chirurgici mini-invasivi e mani antropomorfe artificiali.
Per saperne di più, IngegneriaBiomedica.org ha avuto il piacere di intervistare la Professoressa Fanny Ficuciello, docente del Corso di “Robotica Medica” presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e di Tecnologie dell’Informazione (DIETI) dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, responsabile scientifico della ricerca presso il laboratorio di robotica del centro ICAROS nonché membro del PRISMA Lab.
Partiamo da ICAROS e PRISMA. Come nasce un centro d’eccellenza italiana come ICAROS e di cosa si occupa il PRISMA Lab?
Il Centro ICAROS (Interdepartmental Center for Advances in RObotic Surgery) è il centro interdipartimentale di ricerca in chirurgia robotica dell’Università Federico II. ICAROS mira a creare sinergie tra la pratica clinica e chirurgica e la ricerca sulle nuove tecnologie per la chirurgia assistita da computer/robot (Figura 1).
Ad esso afferiscono vari Dipartimenti e gruppi di ricerca, tra cui il PRISMA Lab, coordinato dal Professor Bruno Siciliano, uno dei fondatori del centro ICAROS.
Chi è il Prof. Bruno Siciliano e Cosa fa il PRISMA Lab
Il Prof. Siciliano ha stretto collaborazioni con centri d’eccellenza della robotica mondiale come la INTUITIVE – casa produttrice del Da Vinci, un robot tele-operato utilizzato per chirurgia mininvasiva – e ha anche ottenuto finanziamenti dall’Unione Europea per la robotica chirurgica. Il centro di ricerca ICAROS oltre a disporre di robot Da Vinci Xi utilizzati per la pratica clinica, è dotato di un setup particolare che si chiama Da Vinci Research Kit. Si tratta di una piattaforma di ricerca basata sul robot Da Vinci che è aperta e interfacciabile con un computer, per provare nuovi algoritmi di controllo e testare nuovi strumenti laparoscopici e sensori.
- Per saperne di più sul robot Da Vinci, puoi approfondire qui.
Il PRISMA Lab (Progetti di Robotica per l’Industria e i Servizi, Meccatronica e Automazione) è un laboratorio di ricerca del DIETI, portato alla ribalta dal Professore Siciliano. È nato circa trent’anni fa e si occupa di robotica a 360°. Il PRISMA Lab è dotato di tre strutture per la ricerca sperimentale, il Robotics Lab dedicato alla robotica industriale e di servizio con particolare focus sulla “Human-Robot interaction”, FLARE, la Flying Arena per la robotica aerea e infine il Medical Lab per la robotica medica che si trova presso il centro ICAROS dove è nata PRISMA Hand II.
Tra le attrezzature presenti nel laboratorio di robotica di ICAROS vi è il KUKA Med, ovvero un robot manipolatore pensato per l‘interazione uomo-macchina (Figura 2), ed un robot rigido/soft pensato ad hoc per la biopsia prostatica.
Ad oggi, al Medical Lab di ICAROS lavora un team costituito da 5 dottorandi, 3 post-doc ed alcuni assegnisti sia di ingegneria dell’automazione e robotica che di ingegneria biomedica.
Come nasce il filone della ricerca sulla mano robotica per chi ha subito un’amputazione dell’arto superiore?
La ricerca su nuove strategie di controllo per mani robotiche antropomorfe si ispira a studi effettuati sulla mano umana e sul modo in cui l’uomo ne semplifica il controllo. Le mani sono un organo molto complesso, caratterizzato da elevata destrezza e flessibilità, grazie al sistema di tendini e muscoli che generano il movimento e ai sensori distribuiti sulla pelle. È questo sistema di sensori, unito al sistema di attuazione, che conferisce grandi capacità di manipolazione e di apprendimento. Riuscire a riprodurne le funzionalità artificialmente è una grande sfida.
Il numero di gradi di libertà di una mano robotica è circa 22. In confronto ad un robot manipolatore – che ne ha 6/7 – è più del doppio. Inoltre, una protesi è tipicamente sotto-attuata: ha numerosi giunti da gestire con un numero piccolo di motori. Il sistema di attuazione è molto complesso.
Una delle grandi sfide è cercare di comprendere quale sia la distribuzione ideale del movimento dai motori ai giunti, per riprodurre al meglio il movimento e la destrezza della mano reale.
In questo contesto vi sono degli studi sulle sinergie posturali, che costituiscono un modello matematico utilizzato per riprodurre la capacità dell’uomo di semplificare il controllo di un organo così complesso.
PRISMA Hand II è la vostra ultima innovazione. Qual è il percorso che ha portato al suo sviluppo?
PRISMA Hand II si ispira alla mano umana. Abbiamo sviluppato un sistema di attuazione per coordinare il controllo di diversi giunti, al fine di riprodurre i principali pattern di movimento (i.e., sinergie posturali). É dotata solo di tre motori, un numero ottimale sia per il design – in termini di integrazione – che per il controllo – per la gestione delle funzionalità.
Il problema del numero dei motori, dell’ingombro e del peso è fondamentale. Ma anche l’estetica di una protesi è importantissima: la mano deve simulare quella umana e somigliarvi, dovendo sostituire l’arto.
Le sinergie posturali
Inizialmente abbiamo applicato il concetto di sinergie posturali a mani robotiche industriali dotate di un numero elevato di motori cercando di semplificare la parte del controllo. Successivamente, anziché semplificare il controllo a partire dal numero elevato di motori, come nel caso della mano industriale, abbiamo ridotto il numero di motori nel disegnare una protesi, utilizzando un numero ottimale scelto sulla base di un mio studio del 2018.
PRISMA Hand II è dotata anche di un’elasticità distribuita in tutta la struttura, grazie all’utilizzo di tendini elastici.
Come funziona PRISMA Hand II?
L’obiettivo del design meccanico innovativo è l’assenza di giunti, compensata dalla presenza di falangi che hanno una forma particolare. Essa consente il rotolamento di una superficie sull’altra (Figura 3).
Il vantaggio è la riduzione del numero di parti che costituiscono la mano, semplificando l’assemblaggio. Inoltre, la relativa riduzione di costi e la semplicità della procedura di sostituzione delle componenti costituiscono ulteriori aspetti vantaggiosi.
Tendini elastici
La presenza di tendini elastici permette alla mano di adattarsi agli oggetti, di manipolarli muovendo le dita e, quindi, muovendo l’oggetto nello spazio senza muovere il braccio. PRISMA Hand II è dotata di sensori di forza a basso costo, posizionati sulla punta delle dita in corrispondenza dei polpastrelli.
Algoritmi di controllo e simulatore per training
Stiamo inoltre sviluppando algoritmi di controllo condivisi, che sfruttano le informazioni sensoriali per aggiustare il movimento che viene “comandato” dal paziente utilizzando i segnali EMG. Infine, PRISMA Hand II prevede anche un simulatore per il training. Utilizzare un controllo condiviso può essere poco confortevole; quindi avere un simulatore che ti permetta di familiarizzare con la tecnologia è un grande vantaggio.
In cosa si differenzia PRISMA Hand II rispetto alle altre protesi robotiche?
La differenza sostanziale è nel design meccanico e nel numero ridotto di motori. La sua particolarità risiede nella distribuzione di elasticità nella struttura, per consentire anche la manipolazione e non soltanto la presa di oggetti.
Inoltre, l’utilizzo di sensori di forza a basso costo permette di aggiungere delle strategie di controllo condivise tra l’uomo e la macchina, che migliorano il movimento a parità di numero di motori.
L’aggiunta del simulatore permette di effettuare il training, quindi di utilizzare la mano anche senza dover necessariamente interagire con un centro di riabilitazione.
Il prototipo vedrà delle versioni successive? È previsto un lancio sul mercato?
PRISMA Hand II si è classificata al quinto posto di StartCup Campania, il Premio per l’Innovazione promosso dalle Università campane e finalizzato a mettere in gara gruppi di persone che elaborano idee imprenditoriali basate sulla ricerca e l’innovazione.
Il prototipo è coperto da un brevetto italiano. La proprietà intellettuale così è protetta parzialmente e per commercializzarla in modo efficace sarebbe utile fare un’estensione del brevetto ad altri Paesi europei. Tra i nostri obiettivi vi è l’intenzione di fondare una startup e di continuare a lavorare sul prototipo per ottimizzare il controllo sulla mano robotica, testando la protesi su persone amputate. Al momento abbiamo testato su paziente, con successo, soltanto il simulatore per il training.
Lo sviluppo delle nuove versioni di PRISMA Hand II
Per rendere pienamente fruibile la protesi occorre realizzare la “socket” di collegamento con il braccio, cioè l’invaso che costituisce l’interfaccia tra l’amputato e la protesi. Questo invaso accoglierà anche i sensori elettromiografici. Fino ad ora sono statie seguiti gli studi su soggetti sani, che quindi non indossavano la mano. Dovendo realizzare un prototipo di protesi che si possa interfacciare con il corpo del paziente, e che altresì possa adottare moduli di controllo autonomo che si integrino con il controllo diretto effettuato dal paziente per mezzo di segnali EMG, è importante capire quanto l’intelligenza della macchina possa essere accettata e risulti confortevole. Infine, occorre lavorare sull’estetica. Ciò significa utilizzare materiali ingegnerizzati e realizzare un design che la renda simile alla mano umana.
Quali sono le sfide ingegneristiche per sviluppare una tecnologia protesica alla portata di tutti?
Le principali sfide nella progettazione e sviluppo di un prototipo di protesi di mano robotica sono:
- Numero di attuatori e sistema di trasmissione del movimento;
- Ingombro degli attuatori;
- Peso;
- Capacità di percezione dell’ambiente, realizzabile attraverso sensori che hanno a loro volta un ingombro e che richiedono capacità di elaborazione dati;
- Sistema di controllo per riprodurre capacità di manipolazione comparabili a quelle umane;
- Estetica e scelta dei materiali.
Quali sono le opportunità che la ricerca biomedica offre ai giovani sul territorio italiano? Come si colma l’attuale divario tra università e lavoro, spesso causa della “fuga di cervelli” all’estero?
Negli ultimi anni è cresciuto molto l’interesse del settore ingegneristico nei confronti delle tecnologie applicate alla medicina. Ciò si riflette in un numero sempre più crescente di studenti volenterosi di sperimentare e specializzarsi in questo ambito.
L’università offre delle opportunità limitate, anche se, dato il contesto storico, sono stati stanziati fondi importanti per la ricerca (come ad esempio nel Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza), gettando le basi per un ambiente di innovazione florido che offre possibilità ai neolaureati di svolgere un dottorato di ricerca e poi di lavorare in azienda.
Dall’altro lato, numerosi sono i casi di ragazzi che hanno studiato e lavorato presso i nostri laboratori e poi si sono allontanati per crescere professionalmente come ingegneri biomedici o come ricercatori in Italia e all’estero. Questo fermento ha permesso la nascita di diverse startup del settore medico su tutto il tessuto nazionale.
La cosiddetta “fuga di cervelli” molto spesso non è altro che l’occasione per molti giovani di andare all’estero per arricchirsi professionalmente e quindi per sviluppare un nuovo approccio alla ricerca e al lavoro, il più delle volte riportando a casa know-how e una visione della ricerca più aperta e sinergica.
Quale sarà il futuro della robotica e quali i vostri progetti futuri in questo ambito?
Il futuro della ricerca nel campo della robotica risiede nella contaminazione con altre discipline, in particolare con le scienze dei materiali e con le scienze mediche.
L’era della ricerca nella robotica classica, riferita alla progettazione di robot industriali, rigidi e precisi, come dei robot manipolatori, è prossima ad essere definita una tecnologia ben assestata e quindi pronta ad evoluzioni.
I nostri progetti futuri in relazione alle protesi verteranno sull’integrazione di componenti ed elementi biomimetici, con materiali biocompatibili; quindi design sempre più bioispirati da utilizzarsi in applicazioni diversificate adattabili ai tessuti viventi e agli organismi viventi che utilizzino dei principi biologici per l’attuazione, per la parte sensibile.
Grazie Professoressa Ficuciello, a presto!
Fonti e approfondimenti
- Centro ICAROS – Homepage
- PRISMA Lab – Homepage
- MUSHA Hand II – Il nuovo tool di supporto alla chirurgia laparoscopica
