bionica

    Ian Burkhart prepares for a training session

    “Nervi nuovi” per uscire dalla paralisi

    La paralisi (totale o parziale) è una condizione del corpo umano che vede la perdita della funzione motoria, dovuta o alla lesione di nervi o ad una patologia del sistema nervoso e delle fibre muscolari.
    Nella maggior parte dei casi è una condizione irreversibile, come nel caso di Ian Burkhart, un ragazzo dell’Ohio rimasto paralizzato in seguito ad un incidente all’età di 19 anni(oggi ventiquattrenne), che gli ha causato la rottura del collo al livello C5 (cioè la quinta vertebra) e quindi l’impossibilità di usufruire di gambe e mani.
    Da oggi, Ian potrà gradualmente riacquistare il controllo degli arti danneggiati, grazie al progresso scientifico in campo medico, considerando questa innovazione come una pietra miliare nell’evoluzione della tecnologia di interfaccia cervello-computer.

    “Questa è stata la domanda da un milione di dollari: vuoi sottoporti ad un intervento cerebrale o qualcosa che non ti possa portare alcun beneficio? Ci sono molti rischi.
    E’ stato un qualcosa su cui ho dovuto pensare molto a lungo, ma dopo aver parlato con tutto il team e le persone coinvolte, sapevo di essere in ottime mani.”

    Ian è stato il primo paziente a sottoporsi a questa novità tecnologica, che consiste nel bypassare letteralmente il midollo spinale danneggiato, per poter mandare impulsi agli arti in disuso.
    Nella corteccia motoria è stato impiantato, dai chirurghi, un piccolissimo chip in grado di prelevare i segnali elettrici che controllano i movimenti della mano.
    I segnali vengono poi convertiti da un computer in base a ciò che Ian pensa di voler fare e inviati ai 130 elettrodi posti sul suo avambraccio, in un apposito manicotto.
    Gli elettrodi, attraverso la pelle, inviano i segnali ai muscoli sottostanti, permettendone così l’attività motoria, sintonizzati su ciò che Ian desidera fare.

    come funzionano i “nuovi” nervi?

    Come funziona il bypass
    Come funziona il bypass.
    www.dailynew.co.uk

    Nonostante i segnali del movimento (dal cervello al braccio) siano letteralmente bloccati per via della rottura del canale di passaggio delle informazioni (le vertebre), i nervi del braccio sono, di fatto, intatti e funzionanti. L’impianto nella corteccia motoria(1) invia i segnali attraverso una “via esterna”, che, tramite un cavo(2), collega Ian ad un computer, il quale impara letteralmente ad interpretare i desideri e i
    potenziali movimenti.

    I segnali elaborati dal computer vengono successivamente inviati ai 130
    elettrodi(3) posti sul suo avambraccio che, stimolando i muscoli, permettono il movimento(4).

    Impostazione dell'esperimento e modulazione neurale
    Impostazione esperimento e modulazione neurale.
    www.nature.com

    Il risultato dell’intero esperimento non è stato di certo immediato.
    Come spiega lo stesso Ian, è stato investito tantissimo tempo per poter capire come mettere in pratica banali azioni che si compiono quotidianamente, come ad esempio il solo pensare di muovere un dito e farlo.
    Dopo estenuanti sedute di pratica che lo hanno portato a padroneggiare sempre di più i “nuovi nervi” , Ian rinomina questa esperienza come “una seconda natura”.

    “Il sogno più grande sarebbe quello di riavere indietro l’uso di entrambe le mani, perché questo mi renderebbe molto più indipendente e mi permetterebbe di non far affidamento su
    persone per attività che, giorno per giorno, si prendono per scontate.”

    Al momento gli scienziati stanno lavorando per poter portare questa tecnologia al di fuori dell’ambito ospedaliero e di laboratorio, cercando di arrivare ad una tecnologia wireless, in modo da poter far avverare non solo il desiderio di Ian, ma di migliorare la vita di tantissimi pazienti paralitici.

    Stampa 3D: Mano Robot dell’MIT

    I robot hanno una vastissima gamma di “punti forti” ma la delicatezza tradizionalmente non configura tra di essi. Dita ed arti rigidi rendono difficile afferrare, tenere e manipolare una serie di oggetti di uso quotidiano, senza correre il rischio di farli cadere o schiacciarli.

    Partendo da questa semplice constatazione, i ricercatori del MIT CSAIL – Computer Science And Artificial Intelligence Laboratory – hanno scoperto che la soluzione può essere quella di rivolgersi a una sostanza più comunemente conosciuta con il nome di “Silly Putty“: silicone.

    Grazie all’uso, ormai comune, di una stampante 3D, gli scienziati sono stati in grado di ricreare una Mano Robot realizzata in silicone capace di sollevare oggetti fragili ed estremamente sottili come ad esempio un uovo ed un CD. La Mano Robot, fatta di materiali convenzionali come silicone, carta e fibre, può anche raccogliere – come si vede in video – manufatti vari come una palla da tennis, un cubo di Rubik ed un peluche. Ancora una volta un’insieme di prodotti che sottolineano l’interesse a rendere “delicata” l’interazione.

    L’aspetto ancor più impressionante è la presenza, sulle tre dita di cui è dotata la Mano Robot, di speciali sensori che possono stimare con buona precisione le dimensioni e la forma dell’oggetto che si intende manipolare.

    Daniela Rus, direttore del distretto di Robotica del CSAIL, sottolinea:

    La difficoltà d’interagire con oggetti di diverse dimensioni e materiali, è spesso per i robot un limite alle loro capacità. Riuscire a fare in modo che essi abbiano la una presa forte e delicata è il primo passo importante.

    I ricercatori sostengono che i robot dotati di “mani morbide” hanno un certo numero di vantaggi rispetto agli automi convenzionali, tra cui la possibilità di gestire utensili di forma irregolare ed oggetti di spessore millimetrico evitando compressioni.

    Source: news.mit.edu
    Source: news.mit.edu

    Gli umanoidi dotati di questa particolare Mano Robot rappresentano quindi un intrigante nuova alternativa. Tuttavia, uno svantaggio alla loro “flessibilità” o “conformità” è che spesso hanno difficoltà a misurare con precisione dov’è posizionato l’oggetto.

    Entrano in gioco, a questo punto, i sensori.

    mit-csail-gripper-03Quando la Mano Robot è affine ad un utensile, le dita rimandano segnali di localizzazione. Grazie a questi dati, il robot può raccogliere un oggetto sconosciuto e confrontarlo con un cluster esistente di punti che rappresentano i dati immagazzinati e relativi ad oggetti manipolati in regressione. Con soli tre punti campionati in una singola presa, gli algoritmi del robot sono in grado di distinguere prodotti analoghi in termini di dimensioni.

    In altre parole, immaginiamo un essere umano bendato in grado con l’utilizzo esclusivo del senso del tatto di riconoscere un dato oggetto: i sensori rappresentano la “vista” tattile del robot. Essi forniscono informazioni tradotte in conoscenza ed un ulteriore bagaglio di competenza.

    Il team spera dunque che, con ulteriori progressi, il sistema possa alla fine identificare decine di oggetti distinti, ed essere programmato per interagire con loro in modo arbitrario a seconda della loro dimensione, forma e funzione.

    I ricercatori controllano la Mano Robot tramite una serie di pistoni che spingono aria pressurizzata attraverso le dita di silicone. La pressione causa delle bollicine che attraversano e distendono le dita, costringendo e stimolando il loro allungamento.

    La mano utilizza due tipi di presa: “avvolge”, l’oggetto è interamente contenuto all’interno della pinza e “pizzica”, in cui l’utensile si tiene con la punta delle dita.

    Dulcis in fundo, il sistema funziona praticamente su qualsiasi piattaforma robotica.

    Concludiamo con le significative parole della Dottoressa Rus:

    Il nostro sogno è quello di sviluppare un robot che, come un essere umano, può avvicinarsi ad un oggetto sconosciuto, grande o piccolo, determinarne la forma e le dimensioni approssimative e capire come interfacciarsi con esso in un unico movimento senza soluzione di continuità.

    Un nuovo braccio robotico per tetraplegici comandato col pensiero

    Un nuovo ed innovativo braccio robotico comandato direttamente col pensiero grazie a microelettrodi impiantati nel cervello ha dato la possibilità a Erik G. Sorto, paralizzato da 13 anni a causa di un danno spinale, di afferrare un bicchiere per bere.

    ©popularmechanics.com

    Il soggetto paralizzato riesce così a comandare il braccio, pensando solo all’obiettivo da raggiungere. Lo studio pubblicato su “Science” dimostra come l’approccio innovativo,  frutto di una collaborazione tra il California Institute of Technology, University of Southern California e Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center, abbia permesso di superare alcuni importanti limiti che si riscontravano con le neuroprotesi realizzate fino ad ora.

    Infatti, la tecnica più usata prevede l’impianto di microelettrodi nell’area crebrale che controlla il movimento: la corteccia motoria. Tale movimento è però affetto da due disturbi: un leggero tremore e un ritardo rispetto all’input del paziente.

    L’idea vincente è stata quella di sfruttare, come sede per gli elettrodi, un’altra area cerebrale: la corteccia parietale posteriore. Essa è deputata alle funzioni cognitive superiori, come la formulazione dell’intenzione di effettuare un movimento. In questo modo è stato possibile eliminare quel ritardo presente con i precedenti sistemi ottenendo un movimento più fluido e simile al movimento reale. Infatti, la corteccia parietale posteriore è posta all’inizio del cammino neurale che arriva fino agli arti.

    Il nuovo meccanismo ha quindi portato ad avere un risultato semplicemente pensando al movimento, come avviene in situazioni normali, senza pensare a quali muscoli dover attivare e senza pensare ai dettagli del movimento.

    Erik Sorto ha iniziato dal 2013 un programma di addestramento che gli ha permesso prima di poter comandare il cursore di un computer arrivando oggi a gestire un braccio robotico.

     

     

    CYBERLEGs, Italian Project fot bionic legs, Close-up Engineering, Credits: cyberlegs.eu

    CYBERLEGs, gambe robotiche per tornare a camminare

    La perdita totale o parziale di un arto inferiore è una condizione disabilitante che compromette salute e benessere di molte persone nel mondo. Le cause di un’amputazione possono essere diverse: diabete, malattie vascolari, eventi traumatici, tumori o malformazioni congenite.
    Si calcola che solo negli Stati Uniti, ogni anno, vi siano 150mila amputazioni di arto inferiore causate da patologie vascolari.

    Tali amputazioni possono essere di differente livello: possono interessare il piede (amputazione digitale, transmetatarsale, di Lisfranc, di Chopart, di Pirogrof, di Syme, o disarticolazioni della caviglia), la gamba (transtibiale, disarticolazione del ginocchio), la coscia (transfemorale, che rappresenta il 20% di tutte le amputazioni), o il bacino (disarticolazione dell’anca, emipelvectomia).

    Gli amputati transfemorali devono superare difficoltà dovute al fatto che ogni compito motorio legato alla deambulazione (camminare, salire o scendere le scale, alzarsi e sedersi) comporta un maggiore sforzo fisico (con un notevole consumo energetico, che aumenta con il livello dell’amputazione) e mentale (sforzo cognitivo).

    Gli amputati transfemorali, infatti, hanno bisogno di maggiore concentrazione per camminare, dal momento che percepiscono una minore stabilità.

    La maggior parte degli amputati vascolari non utilizza protesi, ricorrendo a soluzioni di ‘più facile utilizzo’ come la carrozzina. Ciò è dovuto al fatto che la maggior parte delle protesi per amputati transfemorali sono passive (non vi sono motori ai giunti) o semi-attive (protesi con ginocchio composto da un meccanismo frenante), ovvero non erogano la potenza meccanica necessaria al cammino e agli altri compiti di locomozione.
    E’ per questo motivo che la ricerca sta spingendo verso la progettazione di protesi attive, che presentano motori nei giunti.

    Il progetto di ricerca CYBERLEGs (acronimo di CYBERnetic LowEr-Limb CoGnitive Ortho-prosthesis), coordinato da Nicola Vitiello dell’Istituto di biorobotica della Scuola superiore Sant’Anna di Pisa e a cui ha preso parte anche il Centro Irccs Don Carlo Gnocchi di Firenze, dove sono stati presentati i prototipi, testati su 11 persone, si pone l’obiettivo di concepire e sviluppare nuove soluzioni ICT (ed in particolare robotiche) indossabili per migliorare la qualità della vita di amputati transfemorali vascolari. In particolare, l’obiettivo finale del progett CYBERLEGs è lo sviluppo di un sistema robotico indossabile – denominato orto-protesi – costituito da una protesi transfemorale attiva (con giunti robotizzati) ed un’ortesi attiva (meccanicamente accoppiata alla protesi) per provvedere assistenza motoria sia all’arto sano che all’anca dell’arto amputato. 

    L’ortesi attiva è concepita per essere modulare e si compone di due moduli. Il primo modulo (direttamente accoppiato alla protesi) è un’ortesi bilaterale per l’assistenza della flesso-estenssione dell’anca. Tale modulo è denominato Active Pelvis Orthosis (APO). Il secondo modulo è un’ortesi attiva monolaterale per l’assistenza della flesso estensione delle articolazioni di ginocchio e caviglia dell’arto sano ed è denominato Knee-Ankle-Foot Orthosis (KAFO).

    L’orto-protesi permette all’amputato di svolgere compiti motori quali camminare (anche su superfici inclinate), salire/scendere gradini, alzarsi in piedi e sedersi con un ridotto sforzo fisico. Questo è possibile grazie al fatto che la protesi ha giunti attivi e l’ortesi attiva è in grado di fornire potenza meccanica alle rimanenti articolazioni dell’arto amputato e a quelle dell’arto sano.

    In aggiunta, l’amputato può interagire con il sistema robotico in modo intuitivo (quindi con un basso sforzo mentale) perché il sistema di controllo di CYBERLEGs permette alla macchina di avere un comportamento semi-autonomo: una volta che la macchina identifica l’intento motorio dell’amputato attraverso una rete di sensori indossabili, i comandi motori agli attuatori della protesi e dell’ortesi sono generati attraverso l’utilizzo di differenti primitive motorie per i differenti compiti motori della locomozione.

    Di seguito vengono presentate nel dettaglio tutte le caratteristiche del progetto: meccanica, sistema meccatronico, sistema di attuazione, sistema di controllo, algoritmi di controllo, sistema sensoriale e macchina a stati finiti. 

     


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