Il feedback sensoriale per migliorare il controllo di un braccio robotico

Quotidianamente con i nostri arti eseguiamo movimenti, dando per scontato la facilità con cui ci riusciamo, ad esempio quando prendiamo un oggetto e lo solleviamo con sicurezza. Considerando invece, un braccio robotico controllato da un operatore, svolgere compiti anche semplici non è per nulla scontato. Un team di bioingegneri dell’Università di Pittsburgh ha effettuato uno studio, pubblicato su Science, che dimostra come l’aggiunta di stimolazione cerebrale per evocare un feedback sensoriale, renda più semplice manipolare un braccio robotico riducendo il tempo per eseguire le azioni.

L’utilità del feedback sensoriale

Il movimento dei nostri arti richiede una comunicazione neuronale a doppio senso tra cervello e periferia del corpo. In alcune condizioni però, come la tetraplegia, questo scambio di informazioni nelle due direzioni viene interrotta a livello del midollo spinale. Il feedback tattile degli arti è estremamente importante nello svolgimento di vari compiti, perciò quando questo feedback manca, le prestazioni sono compromesse.

Le interfacce cervello-computer (BCI) sono state sviluppate per produrre delle risposte motorie volontarie, quindi tramite elettrodi posizionati nella corteccia motoria. In questo studio invece, sono stati anche utilizzati piccoli array di elettrodi posizionati a livello della corteccia somatosensoriale, allo scopo di imitare l’input sensoriale della pelle di una mano.

Tipicamente, bracci protesici controllati da un’interfaccia cervello–computer consentono alle persone con tetraplegia di eseguire i movimenti, ma hanno come unico feedback quello legato alla vista. La vista però è un feedback limitato, avere anche informazioni tattili può migliorare l’esecuzione del movimento. Infatti, testando l’utilizzo del feedback sensoriale in un soggetto, sono stati ottenuti miglioramenti notevoli in una serie di compiti motori.

Il soggetto è riuscito infatti a controllare, con la sua mente, il braccio robotico e ha anche ricevuto il feedback tattile grazie all’utilizzo di un’interfaccia cervello-computer che registra l’attività della corteccia motoria e genera sensazioni tattili grazia alla micro stimolazione della corteccia somatosensoriale. In questo modo, è stata creata una situazione simile al normale funzionamento di quando il midollo spinale è intatto.

I risultati ottenuti

Il partecipante allo studio è un uomo che, a seguito di un incidente d’auto, ha un uso limitato degli arti superiori. È la prima persona a cui sono stati impiantati non solo elettrodi nella corteccia motoria del cervello, ma anche in quella somatosensoriale.

Il soggetto ha eseguito una serie di test in cui doveva afferrare e spostare vari oggetti da un tavolo ad una piattaforma innalzata. Grazie al feedback sensoriale le prestazioni dei compiti effettuati con il braccio robotico sono migliorate. I tempi per eseguire le azioni si sono ridotti di più della metà rispetto ai compiti eseguiti senza questo feedback. In particolare, il tempo medio è passato da 20,9 secondi a 10,2 secondi.

I tempi ridotti sono legati al fatto che il soggetto ha impiegato meno tempo per afferrare gli oggetti perché il feedback tattile ha permesso di eseguire l’azione in modo più naturale. Inoltre, il soggetto ha riferito di non essere infastidito dalla stimolazione ricevuta durante il compito, percependola come un leggero formicolio.

I passi in avanti grazie al feedback sensoriale

Il partecipante allo studio si era già precedentemente iscritto ad un altro studio clinico in cui vennero impiantati quattro array di microelettrodi. Questo studio è un passo in avanti rispetto al precedente, proprio perché sono stati utilizzati anche elettrodi per ottenere un feedback tattile nell’esecuzione dei compiti.

I ricercatori si aspettavano dei miglioramenti grazie all’aggiunta di questa stimolazione cerebrale, ma allo stesso tempo hanno dichiarato di non aspettarsi i miglioramenti così elevati. Ritengono comunque che è necessario fare altri miglioramenti per rendere le sensazioni più realistiche, ma soprattutto per fare in modo che questa tecnologia venga effettivamente utilizzata da chi ne avrà bisogno.