29 mar
2010

SmartHand - La protesi con il tatto

Dai laboratori di ricerca del laboratorio di robotica Arts della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa è nato il primo prototipo di mano robotica capace di recepire il tatto in tutte le sue sfumature.

Quasi un anno fa, nel maggio 2009 è partita la sperimentazione di SmartHand, la prima mano artificiale capace di restituire all’amputato il senso del tatto. Creata da un progetto di bioingegneria, SmartHand è per ora “solo” un prototipo di ricerca e necessita quindi d’ulteriori studi e miglioramenti prima di poter diventare realtà ed essere forse messa un giorno sul mercato. Già in uso da parte di 7 amputati svedesi, la mano sembra però comportarsi molto bene: lo testimonia lo svedese Robin af Ekenstam che, grazie a SmartHand, è tornato a sentire la consistenza degli oggetti e a percepire quello che sta facendo, riuscendo quindi a controllare molto meglio i propri movimenti. Con grandi vantaggi nel quotidiano.
L’avventura SmartHand, se così possiamo definirla, è iniziata nel 2005 con lo sviluppo di un progetto che potesse portare avanti il lavoro svolto nel corso di un precedente progetto europeo (CyberHand) coordinato dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e incentrato sullo studio di una mano completamente controllata con il pensiero. Il progetto SmartHand ha quindi ricevuto il finanziamento da parte della Commissione europea ed è partito nel novembre del 2006, per concludersi lo scorso gennaio. Obiettivo del nuovo progetto è la realizzazione di una protesi di mano direttamente controllabile dal sistema nervoso dell’individuo e capace quindi di rispondere ai comandi e al tempo stesso percepire la sensazione tattile. Due i filoni del progetto. Il primo, rivolto più a una ricerca di base, s’è concentrato sulla realizzazione di una mano completamente controllata dal sistema nervoso centrale della persona attraverso elettrodi, impiantabili chirurgicamente nel suo corpo. Il secondo, cui ha partecipato anche il laboratorio di robotica Arts della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, diretto dalla prof.ssa Maria Chiara Carrozza, s’è invece focalizzato sullo sviluppo di una protesi con interfaccia bi-direzionale (che va cioè dal cervello alla mano e viceversa), non invasiva perché applicabile senza bisogno d’interventi chirurgici. Per i non addetti ai lavori, l’interfaccia è quell’elemento tra sistema nervoso della persona e mano robotica, che decodifica le intenzioni, trasformandole in movimenti della mano, e allo stesso tempo codifica le informazioni tattili e sensoriali provenienti dai sensori artificiali presenti sulla mano stessa, fornendoli alla persona sotto forma di stimolo riconoscibile: contatto, caldo, pressione ecc. E’ proprio da questo secondo filone, di più vicina sperimentazione e applicazione, che è nato il prototipo oggetto di questo articolo. Per fornire i dettagli di SmartHand nel modo più corretto ci siamo rivolti a Christian Cipriani, giovane ingegnere rcercatore post-doc presso il laboratorio Arts, che al progetto ha lavorato in prima persona insieme con il collega Marco Controzzi.

I numeri di SmartHand.
“Il prototipo di ricerca realizzato all’Arts di Pisa è una mano antropomorfa dotata di 5 dita articolate e con le dimensioni, l’apparenza e il peso simili a quelli di una mano umana” spiega Christian Cipriani, che sottolinea come questo sia in verità il risultato di diversi anni di ricerca nel settore nonché della volontà di soddisfare i reali desideri degli amputati rilevati attraverso indagini preventive sul campo.
La progettazione s’è composta di 3 fasi:
• fase 1: sviluppo della meccanica e dei sistemi d’attuazione e trasmissione;
• fase 2: integrazione meccatronica, ovvero tra meccanica ed elettronica, dei sensori;
• fase 3: sviluppo del controllore dedicato.
“Il risultato di tanto lavoro” continua Cipriani “è una protesi dotata di 16 gradi di libertà – capace cioè d’effettuare, almeno in linea teorica, movimenti con destrezza – e mossa da 4 motori elettrici equipaggiati da meccanismi d’irreversibilità, ovvero dispositivi che permettono di bloccare la prese senza bisogno di prelevare energia dalla batteria, come già accade nelle mani protesiche tradizionali. All’interno della mano robotica ci sono inoltre ben 40 sensori deputati al controllo dei movimenti e alla restituzione del feedback sensoriale all’amputato, e 8 schede elettroniche di regolazione. Motori e sensori sono tutti integrati nel palmo e nelle dita della mano stessa. SmartHand è intrinsecamente capace d’afferrare gli oggetti avvolgendosi loro attorno, abilità che le conferisce una maggior stabilità nella presa. A questa stabilità concorre anche il funzionamento delle 5 dita, assai simile a quello di una mano naturale. Grazie al controllo da parte di 2 motori, infatti, il pollice è in grado tanto di flettersi ed estendersi quanto d’opporsi. Anche l’indice è mosso da un motore indipendente, fatto che ne consente un uso più fino, mentre le altre dita dipendono contemporaneamente da un singolo motore, dotato tuttavia di un meccanismo che porta tutte le dita a contatto con l’oggetto. Grazie ai sistemi sopra descritti, SmartHand può compiere l’85% delle prese utilizzate in attività quotidiane e può inoltre premere pulsanti e contare”. Una vera rivoluzione nel campo delle protesi di mano. Ma vediamo ora come è controllato il sistema.

Un complesso sistema di controllo.
Parlare del controllo di SmartHand significa fare una prima distinzione tra controllo efferente e percezione afferente. “Il primo” spiega Cipriani “si occupa di tutte le informazioni che viaggiano dal cervello alla mano ed è affidato a un sofisticato classificatore elettromiografico, basato su 8 coppie d’elettrodi superficiali in grado di misurare le contrazioni dei muscoli dell’arto residuo e convertirli in comandi di presa riconosciuti dalla mano”. La percezione afferente si basa invece sul fenomeno dell’arto fantasma. Ma cosa significa ciò? In poche parole, quando una persona subisce un’amputazione, a livello cerebrale avviene in breve tempo una rimappatura corticale delle aree relative all’arto coinvolto nell’amputazione; dunque, nel caso d’amputazione di mano, dell’arto superiore. Ciò significa pertanto che le aree che prima dell’amputazione s’occupavano di ricevere gli stimoli sensoriali in arrivo dall’avambraccio s’espandono fino a invadere le zone relative alla mano che non c’è più. “Il risultato di questa riorganizzazione cerebrale è che la persona perde l’arto ma lo percepisce ancora: ecco perché si parla di arto fantasma” interviene ancora Cipriani, che prosegue: “Le forze misurate dai sensori specifici di SmartHAnd sono utilizzate per stimolare con una pressione proporzionale determinati punti del moncone dell’amputato. Si tratta di quegli stessi punti in cui la persona percepisce gli stimoli come se provenissero dalle dita della mano amputata. Attualmente la stimolazione viene fatta con un sistema di minuscoli vibratori, sviluppato di recente presso l’Arts. Gli stimolatori sviluppati dall’Università di Lund, collaboratore svedese del progetto, e basati su piccoli servomotori, non sono a oggi integrabili all’interno dell’invaso protesico”.
Grazie a questi 2 sistemi di controllo, SmartHand consente all’amputato di muovere la mano con estrema precisione, tornando a percepire il senso del tatto con molte sfumature. La distanza dalle protesi tradizionali è dunque davvero enorme. Vediamo perché.

SmartHand e protesi tradizionali.
Le protesi di mano oggi in uso sono poco più che pinze mosse da elettrodi posizionati sul moncone per misurare l’intensità della contrazione muscolare in arrivo, facendo però particolare attenzione a quella dei muscoli antagonisti, perché è proprio in seguito alla loro flessione o tensione che la pinza si apre e chiude. Si capisce così che la loro funzionalità è ben lontana da quella di una mano vera. Il prototipo di ricerca SmartHand s’inserisce in questo contesto, cercando di risolvere 3 importanti svantaggi delle protesi tradizionali: la scarsa funzionalità (di cui abbiamo detto), la cosmesi e la controllabilità. Avere una mano con 5 dita, simile nella forma e nelle dimensioni a una mano vera e capace d’effettuare fini movimenti, e altro ancora, potrebbe permettere agli amputati d’accettare con maggior facilità la protesi e utilizzarla quotidianamente, ottenendo un significativo miglioramento della qualità della vita. “Certo, al momento la ricerca si sta ancora svolgendo e SmartHand è poco più di un progetto, ma se il nostro sogno si avvererà in completo, la nuova protesi porterebbe 2 vantaggi certi” sottolinea Cipriani. “Prima di tutto, maggior destrezza e capacità d’effettuare più movimenti rispetto alle protesi tradizionali. E poi il feedback sensoriale. I vantaggi sarebbero quindi notevoli”.
Cosa possiamo aspettarci dal futuro?

Il futuro.
Come abbiamo già accennato, SmartHand è un prototipo di ricerca e come tale dev’essere sottoposto a diverse sperimentazioni per poterne testare le qualità e apportarvi quindi delle migliorie. Il progetto appena concluso prevedeva una sperimentazione solo in Svezia, dal momento che lì risiedeva il partner clinico. Nonstante ciò, al laboratorio Arts di Pisa cercano di sperimentare la mano robotica con vari collaboratori per comprendere in che modo migliorarla. Ecco quindi che SmartHand è stata 3 mesi negli Stati Uniti, dove è stata utilizzata per sperimentare un altro sistema di controllo. “E presto inizierà anche una nuova sperimentazione a Belgrado” aggiunge Cipriani, che sottolinea pure come il laboratorio sia sempre alla ricerca di partner di ricerca seri, anche in Italia. Intenzione dell’Arts è, infatti, aiutare chi ha subito un’amputazione o soffre di gravi disfunzioni a recuperare una vita il più normale possibile. “Certo, la ricerca si muove a piccoli passi e i problemi da affrontare sono molti, così come molte sono le persone che hanno bisogno d’aiuto in maniera diversificata. In futuro, si potrà pensare d’avere delle protesi con interfacce impiantate chirurgicamente direttamente nel sistema nervoso, ma per ora siamo ancora lontani da ciò. Per il momento” continua Cipriani “lavoriamo per giungere al più presto a una versione ingegnerizzata di SmartHand, più robusta e durevole di quella attualmente in sperimentazione. E speriamo anche che possa rientrare nelle forniture del Ssn”. Quando si parla di ricerca, però, non è possibile stabilire quando dalla sperimentazione si passerà alla realtà. La distanza tra ricerca scientifica e mondo reale spesso è infatti notevole, ma non bisogna dimenticare che le ricadute della ricerca scientifica vanno osservate nel lungo periodo e sono il vero motore della nostra società: ecco perché è importante andare avanti e continuare a finanziare i gruppi di ricerca. Parlando di mano robotica con sensori e capacità manipolative, per esempio, ci potrebbero essere ricadute nell’automazione industriale, nella tele-operazione in applicazioni spaziali, oltre che nella robotica umanoide.
“Inoltre” conclude Cipriani “dobbiamo nutrire delle speranze nel futuro e se non lo facciamo investendo in idee ‘stravaganti’ come potremmo fare?”.

Ortopedici & Sanitari - Stefania Somarè - marzo 2010

Medicina Riabilitativa c/o Ambulatorio Fisioterapico Caruso