MIT, una mano robotica gonfiabile per restituire normalità alle persone amputate

Nel mondo ci sono oltre 5 milioni di persone che hanno subito un'amputazione dell'arto superiore e che ricorrono a protesi nella vita quotidiana. Oltre a soluzioni puramente estetiche, che ricordano gli arti di un manichino, esistono una serie di neuroprotesi commerciali, ossia arti bionici altamente articolati, pensati per rilevare i segnali muscolari residui e imitare roboticamente i movimenti previsti.

Queste neuroprotesi possono però costare decine di migliaia di dollari, sono realizzate in metallo, hanno motori elettrici e possono essere pesanti e rigide. Gli ingegneri del MIT e della Shanghai Jiao Tong University hanno progettato una mano neuroprotesica differente e, a quanto pare, persino migliore delle soluzioni commerciali: è morbida, leggera (pesa mezzo chilo) ed è potenzialmente a basso costo. I componenti per realizzarla richiedono un esborso di circa 500 dollari, una frazione di quanto richiesto dagli arti intelligenti più rigidi.

Le persone 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 persone con neuroprotesi più rigide.

"Questo non è ancora un prodotto, ma le prestazioni sono già simili o superiori alle neuroprotesi esistenti", ha dichiarato Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale al MIT. Il lavoro di Zhao e dei suoi colleghi è stato pubblicato su Nature Biomedical Engineering.

Il design di questa mano, che ricorda Baymax del film d'animazione Big Hero 6, si basa sull'uso di un materiale morbido ed elastico, l'elastomero commerciale EcoFlex. Il materiale si è dimostrato sorprendentemente resistente, recuperando rapidamente dopo essere stato colpito con un martello o investito da un'auto. La protesi prevede cinque dita simili a palloncini, ciascuna 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.

Anziché controllare ogni dito con dei motori elettrici come la maggior parte delle neuroprotesi, i ricercatori hanno usato 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, aspetto che riduce notevolmente il peso della protesi.

I ricercatori hanno poi sviluppato un modello al computer per mettere in relazione la posizione desiderata di un dito con la pressione corrispondente che una pompa deve applicare per raggiungere quella posizione. Usando questo modello, il team ha messo a punto un controller che gestire il sistema pneumatico affinché posizioni le dita in modo da imitare cinque prese comuni.

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'imbocco della protesi, ovvero dove c'è il collegamento con l'arto, in modo da captare i segnali da un moncone, quando un amputato immagina di fare un pugno.

Un algoritmo "decodifica" i segnali muscolari e li mette in relazione con i comuni tipi di presa. Quando un amputato pensa, ad esempio, di tenere in mano un bicchiere di vino, i sensori raccolgono i segnali muscolari residui che il controller traduce in pressioni corrispondenti. La pompa, quindi, applica quelle pressioni per gonfiare ogni dito e produrre la presa prevista.

I ricercatori si sono però spinti oltre e hanno cercato di dare un feedback tattile all'utente. Per questo motivo hanno cucito su ciascun polpastrello un sensore di pressione, che quando viene toccato o schiacciato produce un segnale elettrico proporzionale alla pressione rilevata.

Nei test svolti, i due partecipanti hanno dichiarato 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 usare intuitivamente la protesi morbida nelle attività quotidiane, ad esempio per mangiare cibo come cracker, torte e mele e per maneggiare oggetti e strumenti, come portatili, bottiglie, martelli e pinze. Questo volontario è riuscito anche a stringere la mano di un'altra persona, toccare un fiore e accarezzare un gatto.

I ricercatori hanno depositato un brevetto sul design di questa protesi e stanno lavorando per migliorarne le capacità e la varietà di movimento. "Vogliamo anche personalizzare il design per la produzione di massa, in modo da poter tradurre la tecnologia robotica morbida in un beneficio per la società".