TECNOLOGIA: UNA PROTESI ROBOTICA GONFIABILE A BASSO COSTO, OFFRE UN ALTO LIVELLO DI TATTO E DI PRESA

 

La protesi consente una vasta gamma di attività quotidiane, come chiudere la zip di una valigia, stringere la mano e accarezzare un gatto.

Per gli oltre 5 milioni di persone nel mondo che hanno subito un'amputazione dell'arto superiore, le protesi hanno fatto molta strada. Oltre alle tradizionali appendici simili a manichini, esiste un numero crescente di neuroprotesi commerciali: arti bionici altamente articolati, progettati per rilevare i segnali muscolari residui di un utente e imitare roboticamente i loro movimenti previsti.

Ma questa abilità high-tech ha un prezzo. Le neuroprotesi possono costare decine di migliaia di dollari e sono costruite attorno a scheletri metallici, con motori elettrici che possono essere pesanti e rigidi.

Ora gli ingegneri del MIT e della Shanghai Jiao Tong University hanno progettato una mano neuroprotesica morbida, leggera e potenzialmente a basso costo. Gli amputati che hanno testato l'arto artificiale hanno svolto attività quotidiane, come chiudere la cerniera di una valigia, versare un cartone di succo e accarezzare un gatto, proprio come – e in alcuni casi meglio – di quelli con neuroprotesi più rigide.

I ricercatori hanno scoperto che la protesi, progettata con un sistema per il feedback tattile, ha ripristinato alcune sensazioni primitive nell'arto residuo di un volontario. Il nuovo design è anche sorprendentemente resistente, recuperando rapidamente dopo essere stato colpito con un martello o investito da un'auto.

La mano intelligente è morbida ed elastica e pesa circa mezzo chilo. I suoi componenti ammontano a circa $ 500, una frazione del peso e del costo del materiale associati a arti intelligenti più rigidi.

'Questo non è ancora un prodotto, ma le prestazioni sono già simili o superiori alle neuroprotesi esistenti, di cui siamo entusiasti', afferma Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale al MIT. 'C'è un enorme potenziale per rendere questa protesi morbida a costi molto bassi, per le famiglie a basso reddito che hanno subito l'amputazione'.

Zhao e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi il loro lavoro su Nature Biomedical Engineering. I coautori includono il postdoc del MIT Shaoting Lin, insieme a Guoying Gu, Xiangyang Zhu e collaboratori della Shanghai Jiao Tong University in Cina.

Mano di Big Hero

Il nuovo design flessibile del team ha una strana somiglianza con un certo robot gonfiabile nel film d'animazione 'Big Hero 6'. Come l'androide morbido, la mano artificiale della squadra è realizzata in materiale morbido ed elastico, in questo caso l'elastomero commerciale EcoFlex. La protesi comprende cinque dita simili a palloncini, ciascuna incastonata con segmenti di fibra, simili alle ossa articolate delle dita reali. Le dita flessibili sono collegate a un 'palmo' stampato in 3D, a forma di mano umana.

Invece di controllare ogni dito utilizzando motori elettrici montati, come fa la maggior parte delle neuroprotesi, i ricercatori hanno utilizzato un semplice sistema pneumatico per gonfiare con precisione le dita e piegarle in posizioni specifiche. Questo sistema, che comprende una piccola pompa e delle valvole, può essere indossato in vita, riducendo notevolmente il peso della protesi.

Lin ha sviluppato un modello al computer per mettere in relazione la posizione desiderata di un dito con la pressione corrispondente che una pompa dovrebbe applicare per raggiungere quella posizione. Usando questo modello, il team ha sviluppato un controller che dirige il sistema pneumatico per gonfiare le dita, in posizioni che imitano cinque prese comuni, tra cui pizzicare due e tre dita insieme, fare un pugno chiuso e prendere a coppa il palmo.

Il sistema pneumatico riceve segnali dai sensori EMG, sensori di elettromiografia che misurano i segnali elettrici generati dai motoneuroni per controllare i muscoli. I sensori sono montati all'apertura della protesi, dove si attacca all'arto dell'utente. In questa disposizione, i sensori possono captare segnali da un moncone, come quando un amputato immagina di fare un pugno.

Il team ha quindi utilizzato un algoritmo esistente che 'decodifica' i segnali muscolari e li mette in relazione con i comuni tipi di presa. Hanno usato questo algoritmo per programmare il controller per il loro sistema pneumatico. Quando un amputato immagina, ad esempio, di tenere in mano un bicchiere di vino, i sensori raccolgono i segnali muscolari residui, che il controller traduce poi in pressioni corrispondenti. La pompa quindi applica quelle pressioni per gonfiare ogni dito e produrre la presa prevista dell'amputato.

Facendo un ulteriore passo avanti nella loro progettazione, i ricercatori hanno cercato di abilitare il feedback tattile, una caratteristica che non è incorporata nella maggior parte delle neuroprotesi commerciali. Per fare ciò, hanno cucito su ciascun polpastrello un sensore di pressione, che quando viene toccato o schiacciato produce un segnale elettrico proporzionale alla pressione rilevata. Ciascun sensore è collegato a una posizione specifica sull'arto residuo di un amputato, in modo che l'utente possa 'sentire' quando viene premuto il pollice della protesi, ad esempio, rispetto all'indice.

Buona presa

Per testare la mano gonfiabile, i ricercatori hanno arruolato due volontari, ciascuno con amputazioni degli arti superiori. Una volta equipaggiati con la neuroprotesi, i volontari hanno imparato a usarlo contraendo ripetutamente i muscoli del braccio mentre immaginavano di fare cinque prese comuni.

Dopo aver completato questo allenamento di 15 minuti, ai volontari è stato chiesto di eseguire una serie di test standardizzati per dimostrare la forza e la destrezza manuali. Questi compiti includevano impilare le pedine, girare le pagine, scrivere con una penna, sollevare palle pesanti e raccogliere oggetti fragili come fragole e pane. Hanno ripetuto gli stessi test utilizzando una mano bionica più rigida disponibile in commercio e hanno scoperto che la protesi gonfiabile era altrettanto buona, o addirittura migliore, nella maggior parte dei compiti, rispetto alla sua controparte rigida.

Un volontario è stato anche in grado di utilizzare intuitivamente la protesi morbida nelle attività quotidiane, ad esempio per mangiare cibo come cracker, torte e mele e per maneggiare oggetti e strumenti, come computer portatili, bottiglie, martelli e pinze. Questo volontario potrebbe anche manipolare in sicurezza la protesi morbida, ad esempio per stringere la mano a qualcuno, toccare un fiore e accarezzare un gatto.

In un esercizio particolarmente emozionante, i ricercatori hanno bendato gli occhi al volontario e hanno scoperto che poteva distinguere quale dito protesico toccavano e spazzolavano. È stato anche in grado di 'sentire' bottiglie di diverse dimensioni che sono state poste nella mano protesica e le ha sollevate in risposta. Il team vede questi esperimenti come un segno promettente che gli amputati possono ritrovare una forma di sensazione e controllo in tempo reale con la mano gonfiabile.

Il team ha depositato un brevetto sul design, tramite il MIT, e sta lavorando per migliorarne il rilevamento e la gamma di movimento.

“Ora abbiamo quattro tipi di presa. Ce ne possono essere di più', dice Zhao. “Questo design può essere migliorato, con una migliore tecnologia di decodifica, array mioelettrici a densità più elevata e una pompa più compatta che potrebbe essere indossata al polso. Vogliamo anche personalizzare il design per la produzione di massa, in modo da poter tradurre la tecnologia robotica morbida a beneficio della società”.

Da: Scitech Daily

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