Fondatore e direttore
Angelo Maria Perrino

La mano robotica, quando la scienza può migliorare la vita

Di Maurizio Garbati
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L'uomo è il più intelligente tra gli animali perché ha le mani

Anassagora, è stato un filosofo greco antico

La bioingegneria

La Bioingegneria è una disciplina che utilizza metodologie e tecnologie dell’ingegneria elettronica, informatica, meccanica e chimica per affrontare problemi relativi alle scienze della vita ed è riconosciuta universalmente come una disciplina emergente volta a generare una migliore comprensione dei fenomeni biologici ed a produrre tecnologie per la salute con beneficio per la società (definizione MIT, USA, 1999). 

Tra i principali ambiti di studio della Bioingegneria ricordiamo quelli riguardanti lo studio dei biosensori, la biomeccatronica e la robotica biomedica e sempre più spesso si sente parlare di mano robotica, di braccio bionico, occhio bionico,esoscheletri e protesi robotiche.  

Sono proprio questi ambiti di applicazione i più interessanti in quanto consentono di ridare il  movimento  alle persone che hanno perso  l’uso dei muscoli e per ripristinare/correggere il controllo dei movimenti per quei soggetti che, a causa di traumi o patologie, hanno perso tale primaria e vitale abilità.

Secondo i dati ufficiali forniti dal Ministero della Salute, ogni anno in Italia sono oltre 3mila i casi di malformazioni congenite o amputazioni degli arti superiori, che in massima parte avvengono in ambito lavorativo. I dati ci dicono anche che in tutto il mondo si contano circa 2 milioni di persone con una mano amputata e la maggior parte non  hanno protesi robotiche.

Le ricerche riguardanti  la mano robotica  hanno fatto notevoli progressi  realizzando   protesi di mano sempre più sofisticate con caratteristiche sempre più vicine a quella umana.

La mano umana e la mano robotica

Le neuroscienze insegnano che esistono le sinergie motorie: gruppi muscolari, articolari, tendinei che si muovono insieme come un unico elemento che risponde all'impulso nervoso. Per riprodurne le funzionalità  della mano non serve attivare i singoli componenti, ma il moto nel suo insieme.   Occorre capirne i principi di funzionamento, individuare  meccanismi peculiari che attraverso sinergie  gruppi muscolari e tendinei fanno in modo che il corpo della mano si muova in modo armonico come un unicum coordinato dal cervello. Occorre capire quali sono e come funzionano alcune prese fondamentali in modo di poter astrarre alcuni modelli da poter replicare nelle protesi robotiche.

La mano è un organo prensile, il primo strumento utilizzato del genere umano ed è l’organo secondo Darwin che distingue l'uomo dagli altri primati. Non ha solo caratteristiche  a livello operativo, ma anche esplorativo e recettivo e la sua complessa architettura l’ha dotata di innumerevoli possibilità  di   movimento e azione. Grazie a queste caratteristiche il genere umano ha raggiunto il suo posto predominante nel mondo.

La nostra mano è molto complessa e l’anatomia ci insegna che ci sono 27 segmenti ossei, 19 muscoli e 20 articolazioni, ma il dato più importante è rappresentato dalle circa 17.000 unità tattili.

La mano naturale, la sua anatomia e la sua funzionalità sono sofisticate e di grande complessità e sono il risultato di una lunga evoluzione nel tempo.

Il sistema umano è sempre stato un importante modello di riferimento e di ispirazione per gli ingegneri nella progettazione di componenti e dispositivi con grandi prestazioni.

In particolare, la mano umana è un esempio straordinario di come un sistema integrato possa essere capace di realizzare operazioni complesse.

La mano umana non è soltanto un efficace strumento, ma è pure uno strumento ideale per acquisire informazioni dall’ambiente esterno. Sistemi in grado di imitare le capacità di manipolazione ed esplorazione della mano umana, sono da secoli il sogno di scienziati e ingegneri.  

I ricercatori robotici si sono chiesti se anche una mano robotica potesse essere in grado di replicare ciò che avviene in natura. Ci troviamo di fronte a due aspetti essenziali: il primo rappresentato dalla  grande complessità della mano umana, non certamente replicabile in contesti artificiali, e  l’altro della ricerca robotica orientata a mani bioniche efficienti, semplici e funzionali.

Interfacce neurali

Già da diversi anni i ricercatori si sono interessati allo sviluppo di sistemi robotici con lo scopo di utilizzarli in ambito biomedicale e attualmente  le Neurotecnologie rappresentano una delle aree di maggior interesse scientifico dove ingegneria biomedica, informatica e conoscenze  che provengono dalle delle Neuroscienze e Neurofisiopatologia , integrano metodi e procedimenti.

La ricerca ha fatto notevoli progressi in questo settore ed oggi è possibile utilizzare i segnali provenienti dall’attività cerebrale per comandare dispositivi esterni. Un settore di studi innovativi dove le neuroscienze e le neuro tecnologie debbono trovare la giusta sinergia   per migliorare la comunicazione cervello-macchina, oggi  già una realtà.

Sono state realizzate diverse modalità per interfacciare, in modo bidirezionale,  la persona con dispositivi robotici in modo di poter  ripristinare (o migliorare) le funzioni sensoriali e motorie di persone con gravi disabilità e per le attività  di neuro riabilitazione .

Un’interfaccia neurale, Brain-Computer Interface ("interfaccia cervello-computer" BCI),  è un sistema che permette la comunicazione diretta tra il cervello e un dispositivo esterno senza dover coinvolgere processi motori. Le interfacce possono essere invasive  e non invasive a seconda che utilizzino elettrodi intracorticali impiantati nel sistema nervoso centrale (cervello e midollo spinale) o periferico (insieme di nervi dal sistema nervoso centrale) o da elettrodi superficiali posizionati sopra i muscoli (segnale elettromiografico).

L’interfaccia neurale, utilizzando algoritmi computerizzati,  è in grado di  registrare ed elaborare le informazioni neurali  e convertire gli impulsi nervosi (segnale elettrico)  al fine di impartire comandi per il controllo di un dispositivo, quale ad esempio un computer, una carrozzina per disabili o protesi cibernetica.

I progetti

Robot Rehab

Robot rehab è uno tra i programmi di ricerca del’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova  che ha lo scopo di progettare e realizzare   esoscheletri,  dispositivi prostetici e nuovi strumenti riabilitativi. E’ un ambito di ricerca, risultato di un accordo tra  lo stesso IIT e INAIL, che si caratterizza per essere un programma interdisciplinare che vede il coinvolgimento e l’integrazione, di diverse discipline: dalla robotica alle neuroscienze, dall'ingegneria medica alle tecnologie riabilitative.

La mano robotica  realizzata dall’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, in collaborazione con l’Inail,  è un progetto con la finalità di sviluppare nuovi e avanzati dispositivi protesici e riabilitativi  disponibili dal 2017, dopo aver terminato la  fase di sviluppo preclinico con i pazienti del Centro Protesi Inail di Budrio .

E’ una protesi molto flessibile grazie all’ingegnerizzazione di un tendine artificiale che consente di riprodurre i movimenti naturali e permette agli amputati di arto superiore il recupero della funzionalità complessiva.

Si caratterizza per essere  robusta  e leggera ( meno di 500 gr) ed  è realizzata, con la tecnologia 3D-stampa, in materiale plastico e in parte componenti metalliche.

Il paziente controlla la mano protesica attraverso 2 sensori  che recuperano il segnale naturale dei muscoli residui ed è in grado di riprodurre l’85% delle prese di una vera mano. Il dispositivo non prevede operazioni invasive per il paziente ed è uno strumento indossabile con semplicità sull’arto amputato.


L'obiettivo è rendere l'arto artificiale economicamente alla portata di più persone possibili. Secondo Roberto Cingolani, direttore scientifico dell'IIT, "costerà circa quanto uno scooter proprio perché vogliamo che sia alla portata di tutti".

“My-HAND” è la mano robotica realizzata dall’Istituto di Biorobotica della scuola Sant’Anna di Pisa ed  è un progetto tutto Made in Italy che ha ricevuto un importante finanziamento, con oltre 400mila euro, dal Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca.

Acronimo di “Myoelectric-Hand prosthesis with Afferent Non-invasive feedback Delivery”, riguarda lo sviluppo di tecnologie non invasive per favorire il recupero delle funzioni sensoriali e motorie delle persone che hanno subìto l’amputazione di una mano.

La protesi potrà essere controllata con la mente in modo non invasivo e potrà restituire la sensazione tattile.

Un mano bionica che è in grado di trasformare il pensiero in movimento  e che ha visto i ricercatori dell’Istituto di Biorobotica  studiare lo sviluppo di algoritmi di controllo capaci di tradurre il segnale mioelettrico ,derivante dall’attività  muscolare,  e tradurlo in comandi di controllo della protesi.

Integrati sulle  dita trovano posto i sensori tattili   in grado di registrare le interazioni con l’ambiente e   restituire le percezioni  tattili    grazie a un sistema di piccoli vibratori posizionati sulla parte che resta dell’arto.  Il grande vantaggio di tutte queste tecnologie, che derivano dal progetto “WAY”, è la possibilità di essere impiantate senza la necessità di passare dalla sala operatoria e di agire in maniera invasiva sul paziente.

“E’ una protesi da esibire e non da nascondere”, sintetizza Christian Cipriani,   coordinatore dell'area di ricerca artificial hands area  e del progetto “My-HAND” essendo  l’estetica della protesi particolarmente curata, risultato della collaborazione  tra ricercatori e designer. Una mano bionica non solo esteticamente bella, ma anche dotata di sensori tattili. Una nuova mano bionica che restituisce il tatto e non necessita di intervento chirurgico per l'impianto  

Sempre all’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna  ha preso avvio il  progetto di ricerca europeo “DeTOP”  per la realizzazione  di  una nuova generazione di protesi biomeccatroniche per l’arto superiore, capaci di riprodurre le funzionalità della mano naturale,   in grado di migliorare sensibilmente la vita quotidiana delle persone con amputazioni. Si avvale di una nuova interfaccia   neuro-muscolare per realizzare collegamenti bidirezionali   tra l’uomo e la protesi robotica. Il risultato è un controllo più naturale dei movimenti e nel contempo  un più facile recupero delle percezioni tattili del paziente.

SoftHand

E’ una mano robotica, sviluppata dal Centro di Ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa e dall’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova,   in grado di fare quasi tutte le prese che fa una mano umana. Il suo controllo è molto semplice attraverso la contrazione dei muscoli dell’avambraccio.

Le sue caratteristiche principali sono la struttura essenziale in materiale plastico,la flessibilità  ed è molto robusta ottenuta in stampa 3D imitando la struttura dei legamenti e delle articolazioni umane.  

Antonio Bicchi, coordinatore del gruppo di Robotica del Centro di Ricerca “E. Piaggio” e Senior Scientist all’IIT di Genova sostiene  “Il controllo da parte di un singolo motore, rende la mano robotica adatta a un semplice utilizzo come protesi senza richiedere lunghi tempi di apprendimento”.

“Una ulteriore linea di ricerca in corso – prosegue Bicchi – riguarda le sensazioni tattili che abbiamo quando tocchiamo gli oggetti, per esempio la ruvidità di una superficie. Nella mano robotica queste sensazioni sono restituite grazie a degli accelerometri posti sulla punta delle dita, che inviano ai muscoli dell’avambraccio delle vibrazioni, diverse a seconda della levigatezza della superficie toccata. Le vibrazioni sono le stesse che sentiremmo con i nostri polpastrelli fatti scorrere sopra gli oggetti; la nostra protesi le trasmetterà all’avambraccio” ,conclude Bicchi.

Una mano robotica molto semplice e naturale nei suoi movimenti, che sarà in grado di compiere atti ad elevata  precisione come usare un normale trapano o piantare un chiodo.

La mano robotica “SoftHand” si  è recentemente aggiudica il primo posto nella competizione internazionale “Grasping Manipulation Challenge“, che si è svolta a inizio ottobre 2016 in Corea, nell’ambito della conferenza IROS (International Conference of Intelligent Robots and Systems). La competizione prevedeva che un operatore umano selezionato tra il pubblico utilizzasse la mano robotica per manipolare oggetti ed eseguire compiti di presa    attenendosi alle istruzioni fornite automaticamente.

La mano robotica Softhand a Cybathlon 

Senz’altro un buon piazzamento  della SoftHand  ottenuto nella recente competizione Cybathlon 2016 a Zurigo alla prima edizione della Cybathlon: la competizione in cui atleti con disabilità hanno  gareggiato con dispositivi e tecnologie all’avanguardia come   gambe e braccia elettroniche, esoscheletri e sedie a rotelle intelligenti . La competizione ha messo alla prova i dispositivi in attività legate alla vita di tutti i giorni.

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