È ispirato all’anatomia del piede umano ed è caratterizzato da una particolare struttura in grado di deformarsi e adattarsi a diversi tipi di superficie: si tratta di un innovativo piede protesico pensato per umani e robot. Si chiama SoftFoot Pro, ideato e sviluppato all’IIT, è stato progettato per far fronte alle esigenze della vita di tutti i giorni, migliorando la naturalezza del passo e la stabilità del soggetto.
Perché sviluppare una nuova protesi di piede?
Le protesi di piede attualmente in commercio sono sviluppate per garantire il massimo appoggio del piede al suolo, con l’obiettivo principale di assistere nell’equilibrio il soggetto amputato (Figura 1). Tuttavia i dispostivi attuali non permettono a tale soggetto di eseguire movimenti che coinvolgono sensibilmente l’articolazione della caviglia, come inginocchiarsi o piegarsi. Infatti, queste protesi non sono progettate per simulare la meccanica di un piede umano – ricco di complessi articolari – per adattarsi a terreni irregolari o al variare della pendenza.
Per approfondire: evoluzione delle protesi di piede
I primi piedi protesici, progettati negli anni 80 per migliorare la deambulazione e consentire agli amputati di svolgere attività di base, erano molto semplici ma robusti, ideali per persone con livelli di attività ridotti. Questi piedi erano dotati di una struttura interna rigida, circondata da una copertura in schiuma che imitava la flessione plantare e dorsale durante la camminata.
Successivamente, sono stati sviluppati i piedi a energia restituita (ESR), in grado di immagazzinare energia durante il ciclo del passo e di rilasciarla per facilitare il movimento. Sebbene migliorino la stabilità e riducano il costo metabolico, non riproducono perfettamente il movimento del piede umano.
Esistono poi anche i piedi bionici, che utilizzano attuatori idraulici o elettrici per migliorare l’adattabilità al terreno, ma non generano molta energia aggiuntiva rispetto ai piedi ESR.
Quello che accade è che, osservando camminare i soggetti con protesi di piede e i robot umanoidi bipedi, si può notare come il loro incedere sia poco fluido, prinicpalmente a causa della pianta piatta e rigida dei loro ‘piedi’. Inoltre i modelli variano in base alle attività per cui sono pensati, portando il soggetto a ricorrere frequentemente al cambio protesi.
L’unità Soft Robotics for Human Cooperation and Rehabilitation dell’Istituto Italiano di Tecnologia, in collaborazione con il Centro di Ricerca E. Piaggio dell’Università di Pisa, ha così sviluppato un sistema innovativo che agevola tanto i soggetti amputati quanto i robot – che nella camminata presentano ancora grandi difficoltà. Con questo duplice target, nasce quindi SoftFoot Pro.
1 – Flex-Foot Axia; 2 – LP-Ceterus; 3 – Talux Foot; 4 – VariFlex; 5 – Re-Flex VSP; 6 – Flex-Foot ModularII; 7 – Flex-Sprint Cheetah; 8 – Sprinter; 9 – Advantage DP/ Springlite Foot; 10 – Pathfinder.
I modelli da (1) a (5) offrono migliori prestazioni, assorbimento degli urti e comfort; (7) ed (8) sono progettate per attività sportive e offrono un elevato ritorno di energia; infine, (9) e (10) offrono una buona risposta dinamica e stabilità per amputati attivi. Credits: Springer
Un sistema bio-ispirato
L’obiettivo del progetto era quello di implementare un piede artificiale molto versatile, che si comportasse in modo quanto più simile possibile a un piede naturale. Pertanto, il dispositivo non solo avrebbe dovuto reggere il peso del corpo e permettere all’utilizzatore – robot o umano – di camminare, ma sarebbe stato anche in grado di adattarsi agli ostacoli e garantire piccoli gesti di vita quotidiana: salire e scendere le scale, allacciarsi le scarpe, chinarsi.
SoftFoot Pro è un sistema completamente passivo, ovvero non dotato di motori. Pesa circa 450 grammi – contro i 740 del Talux Foot e i 779 del VariFlex, rivelandosi quindi estremamente leggero. Può sopportare capacità di carico fino ai 100 kg, che è consistente con le altre protesi presenti in commercio: si tratta quindi di un dispositivo dalle prestazioni molto alte. Inoltre è completamente impermeabile, per garantire la massima performance anche all’aperto (Figura 2).
Per simulare la struttura ossea, articolare e fasciale del piede umano, SoftFoot Pro è composto da un arco in titanio – che va a simulare la pianta del piede – le cui estremità sono collegate da cinque catene in materiale plastico ad alta resistenza meccanica, disposte in parallelo tra loro e attraversate ancora longitudinalmente da un cavo ad alte performance meccaniche. Ognuna delle cinque catene è costituita da più moduli, collegati tra loro da una coppia di elastici. Gli elementi distali che compongono le cinque catene rimangono liberi nel movimento, simulando le falangi delle dita.
SoftFoot Pro riproduce il comportamento del piede
Tutte le componenti elastiche costituiscono l’equivalente della fascia plantare del piede umano (Figura 3). Questa architettura garantisce non solo libertà di moto, ma aumenta la presa del piede anche al variare della pendenza del terreno, migliorando la sicurezza percepita in salita e in discesa dall’utilizzatore del dispositivo.
Per approfondire: anatomia del piede umano
Il piede è una struttura dell’apparato locomotore estremamente mobile e costituita da un gran numero di articolazioni e ventisei ossa: quattordici falangi, che compongono le dita, cinque ossa metatarsali, che collegano le falangi alla caviglia, e sette ossa tarsali, le ossa più prossimali alla caviglia. Le dita del piede, come quelle delle mani, sono dotate di diverse falangi, definite come prossimali se vicine al corpo del piede, mentre distali se più esterne. Tutte le dita, a meno dell’alluce, sono composte da tre falangi: distale, intermedia e prossimale (Figura 3).
Il piede e la caviglia sono le strutture responsabili dell’equilibrio e della locomozione.
Il sistema così composto riesce inoltre a eseguire il meccanismo di windlass, un fenomeno di irrigidimento progressivo della fascia plantare quando sottoposta ad un carico meccanico. Tale fenomeno che permette di scaricare uniformemente sul terreno la forza applicata durante il passo e di ammortizzare l’impatto del piede col suolo.
In questo modo, non solo il piede è rappresentato nella sua struttura ossea, ma è garantita anche la naturale capacità muscolare della struttura plantare. Tali caratteristiche permettono un’importante riduzione della fatica percepita dai pazienti durante la camminata, che non viene compensata dall’arto protesizzato residuo e dal controlaterale sano.
Avanzamento tecnologico e sviluppi futuri
SoftFoot Pro è stato presentato per la prima volta durante l’evento tecnico del G7 Salute, organizzato lo scorso giugno dal Ministero della Salute in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia, con una dimostrazione pratica che ne illustrasse le peculiarità.
Il progetto ha ottenuto due brevetti internazionali e il dispositivo è già in fase di sperimentazione.
Grazie ai finanziamenti europei – si veda il progetto ERC Synergy “Natural BionicS” – diversi prototipi sono in fase di test su pazienti con amputazioni monolaterali di arto inferiore presso centri quali l’Hannover Medical School, e la Medical University of Vienna.
La sperimentazione è necessaria, oltre che a validare il dispositivo e valutarne le performance, anche a ipotizzare possibili ottimizzazioni della tecnologia – ad esempio nel peso, nelle dimensioni e nell’efficienza energetica. Tra le ipotesi di sviluppo, si sta valutando di equipaggiare il sistema con dei motori, al fine di rendere ancora più fluida la camminata dei robot umanoidi, e per restituire ai pazienti umani un passo ancora più naturale.
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Fonti e Approfondimenti
- IIT OpenTalk – Mostrato per la prima volta all’evento tecnico del G7 Salute il nuovo prototipo di piede artificiale SoftFoot Pro
- Repubblica – Per le persone ma anche per i robot del futuro: ecco il primo piede artificiale di IIT
- IEEExplore – Analytical Model and Experimental Testing of the SoftFoot: An Adaptive Robot Foot for Walking Over Obstacles and Irregular Terrains
- IEEE ROBOTICS – Exploiting Adaptability in Soft Feet for Sensing Contact Forces
- 2020 IEEE/RSJ – CNN-based Foothold Selection for Mechanically Adaptive Soft Foot
- Springer – From Conventional Prosthetic Feet to Bionic Feet. A Review
