Le braccia artificiali diventano sempre più reali

Le protesi di mani e braccia artificiali hanno avuto pochi sviluppi negli ultimi 50 anni. Hanno migliorato il loro aspetto e la struttura, ma i progressi nelle funzionalità di controllo sono stati più difficile da sviluppare.
In un paio di studi pubblicati su Science Translational Medicine, i ricercatori segnalano ora importanti progressi in due aree: protesi realistiche con feedback tattile e distribuzione di comandi motore affidabili.

“Stanno mirandoad affrontare le grandi limitazioni che hanno le protesi attuali,” dice Kevin Otto, un ingegnere biomedico presso l’Università della Florida a Gainesville.

Le braccia e le mani artificiali moderne spesso può essere mosse dall’elettronica perchè registrano i movimenti dei muscoli di coloro che le indossano e sono stati fatti tentativi per fornire un feedback sensoriale rudimentale. I ricercatori hanno cercato di sostituire il mancante senso tattile stimolando restanti nervi di chi lo indossa con treni regolari di impulsi elettrici identici quando la protesi viene toccato in determinati modi. I portatori tendono a riferire sensazioni di pizzicorio o formicolio che talvolta possono essere utilizzati come feedback per guidare le loro protesi. Ma molte persone trovano le sensazioni innaturali di distrazione o addirittura sgradevoli a lungo termine.

Dustin Tyler, un ingegnere neurale alla Case Western Reserve University a Cleveland, Ohio e i suoi colleghi hanno raggiunto risultati migliori su due pazienti fornendo treni di impulsi a motivi geometrici che variano di intensità nel tempo. “Ha funzionato da questa sensazione di formicolio a pressione naturale,” dice.

I ricercatori hanno provvisto la mano artificiale dei partecipanti di sensori di pressione, i cui segnali possono essere tradotti in un modello di stimolazione elettrica mimando ciò che una persona sana normalmente sente. Modelli di stimolazione differenti hanno suscitato sensazioni diverse, tra cui intercettazioni, pressione costante e leggerezz, tocco in movimento.

Per capire se queste sensazioni potrebbero essere usate per migliorare il controllo delle protesi artificiali, Tyler ha chiesto ai partecipanti allo studio di provare a staccare i gambi di un mucchio di ciliegie. In genere,coloro che hanno subito l’amputazione di una mano hanno problemi con questo tipo di compiti: senza feedback tattile, afferrano gli oggetti mettendoci troppa forza o troppo poca. Senza sensazione tattile, i partecipanti a questa sperimentazione sono riusciti a staccare i gambi con successo solo al 77% delle ciliegie. Con feedback tattile, i loro tassi di successo hanno raggiunto il 100%.

“È un progresso importante,” dice Gerald Loeb, un ingegnere biomedico presso la University of Southern California di Los Angeles. Ma sostiene che il progetto attuale di Tyler è “probabilmente troppo incerto per essere utilizzato nell’uso clinico a lungo termine”.

Per connettere i nervi allo stimolatore, i portatori della protesi devono avere elettrodi impiantati nell’avambraccio superiore, con connessioni in uscita attraverso la pelle, che lascia il sito di impianto vulnerabile a danni provocati dall’infezione della pelle o al danneggiamento degli elettrodi. Con molta attenzione, i due partecipanti allo studio sono stati in grado di mantenere i loro impianti per circa due anni, ma Tyler dice che il suo team sta lavorando alla riduzione dello stimolatore, così che possa un giorno essere impiantato completamente sotto la pelle, in maniera molto simile a un pacemaker.

In una secondo studio, Max Catalan Ortiz, un ingegnere biomedico presso la Chalmers University of Technology a Göteborg, in Svezia e i suoi colleghi, segnalano altri metodi per selezionare e trasmettere comandi agli arti artificiali.

Sistemi convenzionali delle protesi delle braccia decifrano i movimenti di un portatore registrando l’attività muscolare attraverso la pelle. L’approccio è invasivo, ma gli strati di tessuto e pelle tra il muscolo e il sensore tendono a distorcere il segnale motore, alterando la controllabilità della protesi. Gli elettrodi esterni possono anche comportarsi diversamente o non riescono a seconda della temperatura della pelle e l’umidità.

Per accedere direttamente ai segnali dei muscoli, Ortiz ha lavorato su un progetto di protesi che ha sperimentato il suo gruppo, guidato dall’ingegnere biomedico Rickard Brånemark. Il sistema si basa sull’ancoraggio del braccio protesico direttamente nell’osso del destinatario utilizzando un connettore di titanio. Il tessuto osseo tende a crescere bene intorno alla vite, e il sistema fornisce maggiore stabilità e ampiezza di movimento, confrontato alla presa convenzionale, che ancora la protesi con un aggeggio simile ad una fionda.

Nello studio, il gruppo di Ortiz Catalan ha passato gli elettrodi di registrazione tramite il connettore filettato attraverso l’osso e poi li ha impiantati direttamente nei muscoli che normalmente avrebbe aiutato a spostare l’arto mancante.

“Hanno abilmente oaggirato un grosso problema,” dice Otto. Elettrodi intramuscolari in passato sono stati usati solo in studi su animali ed esperimenti umani a breve termine.

Catalano Ortiz ha sperimentato il sistema su una sola persona, un camionista di nome Magnus N che l’ha usata dal gennaio 2013.

“Lo sento come un vero e proprio braccio, che funziona così bene,” dice Magnus N. La sua precedente protesi che faceva affidamento sui sensori della pelle, era più difficile da controllare e spesso in inverno non funzionava, dice. Il nuovo dispositivo può essere spostato utilizzando solo un quinto dello sforzo di quello vecchio.

Oltre a impiantare elettrodi nel muscolo, i ricercatori hanno avvolto anche un elettrodo intorno ad un nervo nel moncone del destinatario. Questo potrebbe un giorno essere usato per incorporare il feedback sensoriale, anche se Ortiz e i suoi colleghi non hanno esplorato i complessi stimoli elettrici come ha fatto il gruppo di Tyler.

“Sarebbe stato davvero grande se questi due gruppi avessero lavorato insieme,” dice Otto. “Il campo sta facendo grandi progressi proprio ora, e penso che questi studi siano entrambi gli esempi di questo nuovo traguardo.”

 
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