Mano robotica: tecnologia e medicina si incontrano

COS’È UNA PROTESI?

Prima di affrontare l’argomento “mano robotica”, cerchiamo di capire le basi: cos’è una protesi, esattamente? La protesi è un dispositivo artificiale in grado di sostituire una parte del corpo mancante, che può essere persa per via di un difetto congenito, un trauma o una malattia (in un precedente articolo, vi avevamo anche parlato della sindrome dell’arto fantasma). Lo scopo principale delle protesi è quello di riuscire a ripristinare le normali funzioni della parte del corpo mancante. Generalmente, le protesi possono essere create sia a mano che con CAD (Computer Aided Design), un software capace di dare supporto nella progettazione, nell’analisi e nell’ottimizzazione. Naturalmente, una protesi non può essere standard per tutti, ma deve essere progettata e assemblata in base all’aspetto e alle esigenze funzionali della persona. Ovviamente, anche in base agli obiettivi di una persona e in base alla disponibilità economica, le strade per accedere ad una soluzione possono essere ridotte o molteplici. Una persona può, per esempio, aver bisogno di una protesi transradiale (protesi funzionale per il braccio), e ha la possibilità di scegliere tra un dispositivo estetico funzionale, un dispositivo mioelettrico (dispositivo alimentato dal corpo) o un dispositivo specifico per l’attività sportiva.

Esistono diversi tipi di protesi in grado di sostituire la maggior parte delle porzioni mancanti. Per esempio, esistono protesi cranio-facciali che includono protesi intraorali ed extraorali. Le protesi extraorali si dividono ulteriormente in emifacciali, auricolari (orecchio), nasali, orbitali e oculari. Le protesi intraorali, invece, comprendono protesi dentali come protesi dentarie, otturatori e impianti dentali. Le protesi del collo includono sostituti della laringe, trachea e sostituzioni dell’esofago superiore. Le protesi somatiche del torso comprendono protesi mammarie che possono essere singole, bilaterali o protesi mammarie complete. Ma le protesi sono pesanti? Ovviamente no, anche se dipende sempre dal tipo di protesi e dal costo del prodotto. Generalmente, le protesi sono leggere per poter migliorare la comodità della persona. Alcuni di questi materiali includono:

• Plastica (polietilene, polipropilene, acrilici, poliuretano);
• Legno;
• Gomma;
• Metalli leggeri (titanio, alluminio);
• Compositi (fibra di carbonio).

Protesi degli arti superiori

Le protesi degli arti superiori sono utilizzate per vari livelli di amputazione: quarto anteriore, disarticolazione della spalla, protesi transumerale, disarticolazione del gomito, protesi transradiale, disarticolazione del polso, mano piena, mano parziale, dito, dito parziale. Una protesi transradiale, come già specificato prima, è un arto artificiale che sostituisce un braccio mancante sotto il gomito. È possibile dividere le protesi dell’arto superiore in tre categorie principali: dispositivi passivi, dispositivi alimentati dal corpo, dispositivi alimentati esternamente, detti mioelettrici. Un dispositivo passivo può essere statico, ovvero senza parti mobili, oppure può essere regolabile, il che significa che la sua configurazione può essere regolata. I dispositivi passivi sono molto utili nei compiti bimanuali che richiedono il supporto di un oggetto, o per la gesticolazione nell’interazione sociale. Gli arti alimentati dal corpo, o azionati da cavi, funzionano collegando un’imbracatura e un cavo attorno alla spalla opposta del braccio danneggiato. La terza categoria di dispositivi protesici, invece, riguarda le braccia mioelettriche. Queste funzionano tramite elettrodi che rilevano il movimento dei muscoli della parte superiore del braccio, provocando l’apertura o la chiusura di una mano artificiale, di una mano robotica. Per le mani protesiche, ad oggi, esistono modelli sia ad apertura volontaria che a chiusura volontaria e, a causa della loro meccanica più complessa e del rivestimento estetico dei guanti, richiedono una forza di attivazione relativamente maggiore. Un recente studio della Delft University of Technology ha dimostrato che lo sviluppo di mani protesiche meccaniche è stato un settore trascurato negli ultimi decenni. Nel 2017, tuttavia, è stata avviata una ricerca sulle mani bioniche di Laura Hruby della Medical University di Vienna. Alcune aziende producono anche mani robotiche con avambraccio integrato, da adattare alla parte superiore del braccio del paziente e nel 2020, presso l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), è stata sviluppata un’altra mano robotica con avambraccio integrato (Soft Hand Pro).

PROTESI ROBOTICHE

Oltre alle protesi mioelettriche, ci sono anche le protesi robotiche. I robot possono essere utilizzati per assistere nella diagnosi, personalizzare le terapie in base alle capacità motorie del paziente e garantire la conformità con i regimi di trattamento. Utilizzando la robotica per la riabilitazione degli arti superiori, è stato dimostrato che vi è un significativo miglioramento della funzione motoria degli arti superiori dopo l’ictus. Affinché una protesi robotica funzioni, deve avere diversi componenti che riescono a farlo integrare nella funzione del corpo, come per esempio dei biosensori, i quali rilevano segnali dal sistema nervoso, o muscolare, dell’utente. Queste informazioni, poi, vengono trasmesse a un controller situato all’interno del dispositivo che elabora il feedback dall’arto, come per esempio la posizione o la forza. Elettrodi di superficie, invece, rilevano l’attività elettrica sulla pelle, elettrodi ad ago impiantati nel muscolo o array di elettrodi a stato solido con nervi che crescono attraverso di essi. Il controller, di cui vi parlavamo poco prima, è collegato al sistema nervoso, e muscolare dell’utente, e al dispositivo stesso. Questo invia comandi intenzionali dall’utente agli attuatori del dispositivo, interpretando i feedback meccanici e quelli dei biosensori. Il controller è anche responsabile del monitoraggio e del controllo dei movimenti del dispositivo. Un attuatore, invece, imita le azioni del muscolo nella produzione di forza e movimento.

Esiste, inoltre, la reinnervazione muscolare mirata (TMR), una tecnica in cui i nervi motori, che controllavano i muscoli di un arto amputato, vengono reinnervati chirurgicamente in modo tale da reinnervare una piccola regione di un muscolo grande e intatto, come per esempio il grande pettorale. Quindi, quando un paziente pensa di muovere il pollice della sua mano mancante, una piccola area di muscolo sul petto si contrarrà invece. Se i sensori sul muscolo reinnervato vengono posizionati in quella regione, è possibile sfruttare queste contrazioni per controllare il movimento di una parte della protesi robotica. Esiste anche un’altra variante di questa tecnica, chiamata reinnervazione sensoriale mirata (TSR). È una procedura molto simile alla TMR descritta prima, ma i nervi sensoriali vengono reindirizzati chirurgicamente sulla pelle del torace. La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) sta lavorando molto su questi aspetti, al fine di fare ancora più progressi in questo settore, come per esempio creare un arto artificiale che si leghi direttamente al sistema nervoso, una sorta di interfaccia neurale.

Braccia e mani robotiche

I progressi nei processori utilizzati nei bracci mioelettrici hanno consentito agli sviluppatori di ottenere miglioramenti nel controllo della protesi rendendolo sempre più preciso. Il Boston Digital Arm è un arto artificiale che ha sfruttato processori più avanzati i quali ne consentono il movimento su cinque assi e una programmazione per una sensazione più personalizzata del braccio. Recentemente, è stata messa in commercio la mano robotica I-LIMB, inventata a Edimburgo, da David Gow. Questa mano robotica è diventata la prima mano robotica protesica con cinque dita alimentate individualmente. È presente anche un pollice ruotabile manualmente che viene azionato passivamente dall’utente e consente alla mano di afferrare oggetti con molta precisione. Esistono anche altre due protesi neurali come il Proto 1 e il Proto 2 del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University. Su Internet è pssibile trovare anche diversi tutorial su come riuscire a sviluppare una mano robotica arduino, utilizzando questa tecnologia in grado di controllare la mano permettendo ai più ferrati, o ai più intraprendenti, di realizzare una mano robotica fai da te. Su Google, sono in molti a digitare “mano robotica prezzo”. Ovviamente le protesi hanno un prezzo molto alto ma i nuovi modelli avranno l’obiettivo di scendere almeno del 30% sul prezzo di mercato medio ma garantendo delle qualità migliori e vantaggi molteplici.

MANO ROBOTICA: IL PRIMO IMPIANTO PERMANENTE

Una realtà che sta prendendo piede si chiama Prensilia, dell’Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Prensilia, fondata nel 2009, ha fatto uscire un nuovo modello di mano robotica osseointegrata chiamata MIA, dal design innovativo e con una serie di funzionalità che permettono un nuovo tipo di interazione con l’ambiente circostante, controllabile in maniera molto intuitiva. In un’intervista, il ricercatore Francesco Clemente ha spiegato quali sono le peculiarità di questa protesi e delle differenze con le protesi standard: “Quando invece abbiamo protesi più avanzate che possono fare più movimenti diventa più complesso per la persona controllare vari movimenti. Per questo motivo c’è tutta una branca di ricerca che vuole sviluppare algoritmi e programmi che servono per rendere il controllo delle protesi più intuitivo e naturale possibile. All’interno del progetto DeTOP, invece di avere dei sensori applicati alla pelle, ci sono dei sensori attaccati direttamente ai muscoli per migliorare il segnale che viene letto e questo dovrebbe migliorare il sistema di controllo”.

Max Ortiz Catalan e Rickard Brånemark, rispettivamente della Chalmers University of Technology e del Sahlgrenska University Hospital in Svezia, hanno impiantato questa protesi, che può essere controllata attraverso i neuroni e che può essere permanentemente attaccata al corpo. La protagonista è una donna svedese, diventata la prima paziente al mondo ad aver ricevuto una mano robotica con sensibilità tattile. Sono stati inseriti impianti in titanio nelle due ossa dell’avambraccio dai quali partono ben 16 elettrodi che raggiungono i nervi e i muscoli del moncone, facendo così da collegamento tra il cervello e la mano robotica. Questi 16 elettrodi permettono di portare segnali motori alla mano, controllandone i movimenti, e anche di ricevere sensazioni tattili. Ed è proprio grazie a questi elettrodi che, per la prima volta, una mano robotica viene impiantata in modo permanente, in quanto la paziente è stata sottoposta ad un intervento di osteointegrazione. Generalmente, le protesi tradizionali utilizzano elettrodi sistemati sulla pelle per sfruttare i segnali di controllo motorio dei muscoli ma non sempre risultano essere affidabili se non poco sufficienti per effettuare movimenti complessi. Le attuali protesi, inoltre, conferiscono un feedback sensoriale molto limitato in quanto il paziente deve essere attento e concentrato durante l’utilizzo in quanto non permettono una valutazione precisa della quantità di forza da usare per impugnare o prendere un oggetto. Nei prossimi mesi, altri due pazienti riceveranno impianti di questo tipo anche in Italia.

IL PROGETTO HANNES: MANO ROBOTICA CON CAPACITÀ DI ADATTAMENTO

Un altro progetto molto interessante è un progetto italiano chiamato Hannes. Hannes nasce dalla collaborazione tra l’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova e il Centro Protesi INAIL di Budrio. Si tratta di una mano protesica poliarticolata a controllo mioelettrico in grado di restituire oltre il 90% delle funzionalità perdute ai pazienti con l’arto superiore amputato. Quali sono le caratteristiche principali di questa protesi? La morbidezza e la capacità di adattarsi alla forma degli oggetti con cui si vuole interagire. La mano robotica Hannes è stata progettata in modo che conformazione e qualità dei movimenti siano quanto più possibili equiparabili a quelli di una mano normale. Il tutto si incentra sulla volontà di non far sentire estranea questa mano robotica al paziente, bensì come una parte di sé. Le dita sono in grado di piegarsi e atteggiarsi in modo naturale anche in una condizione di riposo. Il pollice, tra l’altro, può assumere tre differenti posizioni, permettendo di replicare un’ampia varietà di prese. Il meccanismo alla base delle dita, della forza e del tipo di presa, dipende da un sistema differenziale che conferisce alla mano protesica una peculiare abilità nell’afferrare oggetti, adattandosi alla loro forma. Ciò consente di poter afferrare e spostare oggetti di piccole dimensioni, oggetti molto sottili, e oggetti molto pesanti.

Il polso è in grado di piegarsi e può essere fissato in cinque diverse posizioni. Inoltre, è possibile effettuare un movimento rotatorio del polso che permette lo spostamento del palmo della mano in entrambe le direzioni. Ma queste possibilità di movimento su cosa si basano? Vi è un sistema di controllo che sfrutta l’attività di contrazione muscolare della parte residua dell’arto. Il messaggio di contrazione muscolare viene raccolto da due sensori elettromiografici di superfice, posizionati all’interno dell’invasatura della protesi, i quali sono in contatto con le zone di massima attività muscolare. Questa componente elettronica ha il compito di interpretare il segnale muscolare e di attivare il movimento desiderato del polso o della mano. La vera intelligenza di questa mano robotica risiede nella parte meccanica che risulta essere unica nel suo genere e che conferisce versatilità e naturalezza del movimento. Questi due fattori combinati alla resistenza dei materiali, caratterizzano la protesi sviluppata. Attraverso un software specifico, inoltre, è possibile, tramite collegamento bluetooth, personalizzare i parametri di funzionamento della mano come la precisione e la velocità dei movimenti, al fine di garantire la protesi più adatta per ogni utilizzatore. Hannes viene realizzata in due misure con guanto di rivestimento per uomo e per donna.