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Robotica e IA Sistemi Protesici

Dalla robotica “soft” alle protesi mioelettriche: arriva la mano protesica gonfiabile

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Scritto da Renato De Falco

Con le parole “protesi” e “robotica” si viene immediatamente proiettati in un mondo fantascientifico nel quale l’ingegnerizzazione del corpo umano è un tema ricorrente.
Cavi, acciaio, viti e bulloni potrebbero un domani consistere nell’upgrade di una parte del corpo umano che tutti immaginiamo. Ma se così non fosse?


Il team di ricerca guidato dal Professor Xuanhe Zhao del Massachusetts Institute of Technology (MIT), grazie allo studio condotto su nuovi materiali coinvolti nella progettazione di protesi robotiche della mano e grazie anche all’emergente settore della soft robotics, è riuscito a creare una protesi mioelettrica dal costo complessivo di soli 500 dollari.

Come la robotica può cambiare la vita

Ogni anno in Italia si registrano circa 3.600 amputazioni di arti superiori, l’80% delle quali coinvolge le mani. Nel mondo le persone che convivono con tale disabilità sono più di 5 milioni.

La ricerca nel settore della robotica ha reso disponibile sul mercato svariate tipologie di protesi. La robotica infatti, basandosi sulla legge di Moore (da Gordon Moore, co-founder di Intel), appartiene a quella categoria di tecnologie definite “esponenziali”, ovvero tecnologie caratterizzate da un tasso di crescita particolarmente elevato. È appunto grazie ai progressi nel campo della robotica biomedica che sono oggi disponibili sul mercato differenti tipi di protesi robotiche della mano.

L’obiettivo è emulare la complessa struttura anatomica della mano e replicare la sua versatilità nell’applicazione alla vita quotidiana.

La mano, infatti, è un’orchestra di nervi, tendini, ossa (27), muscoli (39) e articolazioni (36) la cui sinergia offre all’intera struttura ben 27 gradi di libertà.

Ottenere una struttura così articolata con componenti rigide e attuatori elettromeccanici è un compito ancora infattibile. Per questo motivo si è pensato di fornire alle mani artificiali un design sottoattuato, in grado di garantire l’adattabilità passiva tipica di questi sistemi (un design sottoattuato prevede una configurazione con un numero di attuatori minore dei gradi di libertà del sistema).

Ad oggi le tecnologie più avanzate sono le protesi mioelettriche (Figura 1), ovvero sistemi in grado di restituire un arto a chi ha subito un’amputazione. Tuttavia tali protesi trascinano con sé alcuni aspetti negativi, come:

  • costo particolarmente elevato – generalmente le protesi di alto profilo non sono incluse nel nomenclatore tariffario delle protesi, per cui non vengono fornite gratuitamente dal Sistema Sanitario Nazionale;
  • peso notevole;
  • assenza di feedback tattile.
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Figura 1. La protesi mioelettrica Bebionic; il suo peso varia tra i 400 e i 600 grammi circa, a seconda di dimensioni e configurazione. Il suo prezzo è tra i 30.000 e i 40.000 dollari americani. Credits: amputech.it

La nuova era della robotica: la soft robotics

Osservando la natura si può imparare tanto. Anni e anni di evoluzione hanno portato alla creazione di strutture complesse in grado di adattarsi all’ambiente circostante. Nel dicembre 2016, la Harvard University presentò il primo robot “soft”: l’Octobot.

Ispirandosi alla natura del polpo, gli scienziati hanno sviluppato un robot totalmente composto da materiali soffici e flessibili in grado di compiere movimenti molto diversi dai robot tradizionali e quindi capace di adattarsi all’ambiente circostante (Figura 2).

Queste tecnologie hanno fortemente impattato anche il settore biomedicale, aprendo le porte a nuovi tool laparoscopici, una nuova famiglia di protesi di cui fa parte quella di cui parliamo oggi, e infinite altre applicazioni.

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Figura 2. Octobot, Il robot soft nato alla Harvard University. Credits: nationalgeographic.com

La protesi ispirata a Baymax: come funziona?

Il modo di intendere i robot si sta evolvendo e con esso la tecnologia: era il 2014 infatti quando nel film d’animazione Big Hero 6 compariva tra i personaggi principali Baymax, un assistente sanitario robotico gonfiabile.

Ad agosto 2021, Nature Biomedical Engineering ha pubblicato un articolo relativo a una neuroprotesi della mano, frutto della collaborazione tra il MIT e la Shanghai Jiao Tong University.

Proprio come la mano di Baymax, il design di questa nuova neuroprotesi la rende gonfiabile, leggera ed economica. Inoltre, essendo dotata di sensori di forza, può restituire il senso del tatto agli amputati.

Il vantaggio di un design modulare

Una composizione modulare è ciò che caratterizza l’arto protesico in sé. Nell’incavo protesico, totalmente personalizzabile per meglio adattarsi all’arto residuo del paziente, è innestato il palmo (stampato in 3D) della mano artificiale, sulla quale trovano a loro volta alloggio le dita. All’interno delle dita (consistenti in strutture tubolari di materiale elastico) sono presenti degli elementi rigidi che, mimando l’anatomia osso-articolazione della mano umana, giocano un ruolo fondamentale dal punto di vista funzionale. Modificandone la lunghezza è possibile variare l’angolo di curvatura delle articolazioni (Figura 3).

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Figura 3. Panoramica di funzionamento della protesi gonfiabile. a) Illustrazione della neuroprotesi indossata da un individuo con un’amputazione transradiale della mano. È possibile notare il marsupio contenente il sistema di attuazione, le valvole e il controller. b) Illustrazione dei segmenti rigidi e delle articolazioni. La flessione del dito aumenta all’aumentare della lunghezza delle articolazioni. c) Schema della protesi con 6 gradi di libertà e 5 sensori di forza. d) Un individuo che indossa la protesi e regge un cupcake. e) Angolo di flessione delle dita della mano artificiale all’applicazione della massima pressione supportata di 120 kPa. Confronto tra simulazione ed esperimento. Credits: nature.com

La particolare anatomia conferisce alla neuroprotesi sei gradi di libertà, tutti governati mediante un unico attuatore pneumatico e 12 valvole (anziché con svariati attuatori elettromeccanici come nelle protesi oggi in commercio).

L’attuatore pneumatico, una pompa che governa la pressione dell’aria all’interno delle strutture cave e flessibili delle dita, conferisce la particolare natura “gonfiabile” al sistema.

Inoltre, interpretando l’input proveniente dalla sensoristica elettromiografica, è possibile modificare la pressione dell’aria all’interno delle dita attuando un movimento di flessoestensione.

Puntare sull’attuazione pneumatica ha reso possibile contenere, oltre ai costi, anche il peso: per merito del design modulare è possibile porre il sistema di attuazione e il sistema di elaborazione dei segnali EMG in un marsupio allacciato alla vita del paziente. In questa configurazione la mano ha un peso di soli 292 grammi a fronte dei 500-600 grammi delle competitor.

La sensoristica EMG

Nel 1965, Johannes Schmidl innescò una reazione a catena ideando la prima protesi a comando mioelettrico: l’elettromiografia oggi è infatti la principale tecnica utilizzata per la raccolta dei dati relativi l’attività muscolare nel settore delle protesi. Anche il prototipo ideato dal professor Zhao fa uso dell’elettromiografia (Figura 4).

La protesi gonfiabile traduce le contrazioni isometriche del muscolo in intenzione motoria del paziente.

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Figura 4. Segnali EMG a quattro canali raccolti dai muscoli residui dell’avambraccio. La protesi prevede 4 diverse tipologie di presa. All’interno dell’incavo protesico, in corrispondenza dei muscoli di interesse, sono posizionati 4 sensori EMG a cui è affidato il compito di rilevare e rendere “leggibili” i dati raccolti. Per questo motivo ogni sensore è dotato di tre elettrodi (per la raccolta), amplificatore e filtro (per la riduzione del rumore). Tali informazioni una volta convertite da analogiche a digitali, vengono interpretate dal controller che dopo aver compreso le intenzioni motorie dell’amputato, sulla base di un algoritmo, restituisce un output specifico. Credits: nature.com

Sensori di forza e stimolatori elettrici

Corpuscoli di Meissner, dischi tattili, corpuscoli di Ruffini e plessi delle radici pilifere sono strutture poste nella nostra pelle o nello strato sottocutaneo, la cui stimolazione fornisce la sensazione somatica del tatto.

Le punte delle dita sono tra le regioni del corpo umano con più alta concentrazione di recettori tattili: è proprio in queste regioni che il gruppo di ricerca ha deciso di installare dei sensori di forza in grado di raccogliere le informazioni relative alla pressione applicata ai polpastrelli dell’arto robotico.

Si tratta di semplici sensori capacitivi, ovvero condensatori con un dielettrico elastico a base di idrogel (poliacrilammide contenente cloruro di litio) tra le armature, su cui si applica una pressione. In tal modo, la distanza tra le armature diminuisce, consentendo alla capacità di aumentare.

La misura della variazione relativa della capacità è ciò che il team sfrutta per la stimolazione (mediante elettrodi) dei nervi residui del moncone, simulando l’impulso nervoso naturale che generalmente i recettori tattili inviano al cervello. (Figura 5)

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Figura 5. Prova pratica della protesi gonfiabile su un individuo. a) La sensazione tattile viene suscitata nel partecipante al trial clinico. Ad ogni sensore di forza corrisponde un elettrodo stimolante una regione specifica dell’arto residuo. b) Nel grafico si osserva la sensazione tattile relativa alla stimolazione di uno o più dita in contemporanea. Sull’asse y la variazione relativa della capacità nei sensori di forza. Credits: nature.com

Trial clinico e prospettive per il futuro

Nel trial clinico, un individuo con un’amputazione transradiale è riuscito a governare l’arto robotico dopo soli 15 minuti di training, riuscendo ad ottenere ottime prestazioni in numerosi task standardizzati. A titolo di confronto prestazionale, l’individuo ha indossato successivamente una protesi robotica convenzionale: anche in questo caso è riuscito ad ottenere i medesimi o inferiori risultati, sottolineando tuttavia la notevole differenza di peso tra le due neuroprotesi.

Come prossimo step, il team di ricerca ha intenzione di aumentare le velocità del movimento pneumatico e fornire alla protesi una maggiore varietà di movimenti. Vorrebbe inoltre permetterne la personalizzazione del design, in modo da fornire un supporto sociale, oltre che funzionale, a coloro che hanno perso un arto.

Il team è riuscito quindi a dimostrare che, adottando un nuovo approccio, è possibile spingere ancora più lontano i limiti della tecnologia. Il successo di questa ricerca traspare dalle parole ricche di entusiasmo del professor Zhao:

Non è ancora un prodotto commercializzabile, ma le performance sono già simili o superiori alle neuroprotesi esistenti e per questo ne siamo entusiasti. C’è il potenziale per rendere tali prostesi morbide a basso costo, alla portata di famiglie a basso reddito che hanno sofferto il trauma di un’amputazione.

Professor Xuanhe Zhao

Fonti e approfondimenti:
  • Nature Biomedical Engineering – A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback
  • News MIT – Credits for the cover picture of the news on this page
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Informazioni autore

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Renato De Falco

Studente di Ingegneria Biomedica presso l'Università Federico II di Napoli. Appassionato di Digital Health e tecnologie, principalmente in ambito biomedicale.

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