(Scuola Superiore Sant’Anna)
Il controllo naturale di una protesi è strettamente legato alla percezione del movimento da parte dell’utente. Un’indagine condotta dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, pubblicata sulla rivista internazionale Science Advances, ha realizzato una nuova interfaccia bidirezionale per protesi di mano, utilizzando vibrazioni generate da magneti inseriti nei muscoli residui dell’avambraccio per restituire sensazioni di movimento più naturali.
L’interfaccia, associata alla mano robotica Mia Hand sviluppata dalla spin-off Prensilia, è stata sperimentata per sei settimane su un paziente italiano. Dopo uno studio pubblicato a settembre del 2024 su Science Robotics, che ha validato la prima fase della sperimentazione legata alla capacità della mano robotica di eseguire una vasta gamma di movimenti, questo ulteriore risultato scientifico permette di ottenere un controllo più intuitivo delle protesi.
(Scuola Superiore Sant’Anna)
Quando un individuo perde una mano e inizia ad utilizzare una protesi, perde la capacità di percepire i propri movimenti. Questo fenomeno è noto come “cinestesia”, ovvero la capacità di avvertire come e dove si muovono gli arti nello spazio senza doverli guardare. L’amputazione interrompe il legame tra movimento e la relativa sensazione, rendendo complicato l’uso di una protesi in modo naturale e intuitivo.
La cinestesia è principalmente generata all’interno dei muscoli. Negli amputati, viene studiata in profondità per comprendere come restituire la sensazione di movimento dell’arto mancante. Poiché non esiste un metodo diretto per stimolare i muscoli, la tecnica principale prevede l’uso di vibrazioni superficiali, le quali coinvolgono sia la pelle che i muscoli sottostanti. Questo approccio attiva simultaneamente i recettori cutanei e muscolari, complicando la comprensione di quanto la sensazione di movimento dipenda esclusivamente dalla muscolatura.
Per superare questa limitazione, il team di ricerca della Scuola Superiore Sant’Anna ha creato una nuova interfaccia: la myokinetic kinesthetic interface (MKkI). Piccoli magneti vengono inseriti nei muscoli dell’avambraccio, e una serie di solenoidi esterni li fa vibrare da remoto in modo mirato. Questo metodo stimola solo i muscoli, e la vibrazione stessa provoca sensazioni di movimento naturali. Grazie a queste vibrazioni, il paziente è stato in grado di percepire la mano che si apriva e chiudeva con movimenti coordinati, simili ai movimenti naturali.
“La myokinetic kinesthetic interface è unica: con un semplice impianto passivo e minimamente invasivo, possiamo stimolare la muscolatura senza alcun contatto con la pelle. È una sorta di stimolazione intracorporea, fondamentale per comprendere meglio il controllo motorio umano e per ripristinarlo in persone che subiscono un’amputazione“, dichiara il dottor Federico Masiero, primo autore dello studio, all’epoca dottorando presso la Scuola Sant’Anna e ora ricercatore al Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) del Technical University of Munich (TUM).
Il prossimo obiettivo è utilizzare simultaneamente i magneti impiantati sia per il controllo della protesi che per la restituzione di percezioni sensoriali naturali, per favorire un’interazione sempre più efficace e interconnessa tra persona e robot. Un passo cruciale verso una soluzione che possa trasformare realmente la vita delle persone amputate è la creazione di un impianto permanente.
“La nostra soluzione è stata validata attraverso un dimostratore preliminare: l’impianto era progettato per durare sei settimane, un periodo ritenuto sufficiente per una prima valutazione dell’utilità e dell’efficacia dell’interfaccia. I risultati sono stati promettenti e ci hanno motivato a esplorare una soluzione impiantabile permanente, finanziata dal Piano Nazionale Complementare al PNRR con il progetto Fit 4 Medical Robotics, che ci permetterà di studiare l’interfaccia per periodi molto più estesi e con un maggiore numero di partecipanti“, afferma il professore della Scuola Sant’Anna Christian Cipriani, ideatore dell’interfaccia e coordinatore dello studio.
(Scuola Superiore Sant’Anna)
La prima dimostrazione della capacità di evocare sensazioni tramite la MKkI è avvenuta grazie alla collaborazione tra i professori Cipriani e Paul Marasco della Cleveland Clinic Research, utilizzando minuscoli magneti impiantati e la registrazione dei segnali neurali.
Continuando questa collaborazione, i risultati ottenuti nel nuovo studio sono stati confrontati con quelli di uno studio indipendente condotto dalla Cleveland Clinic e pubblicato nel marzo 2018 sulla prestigiosa rivista internazionale Science Translational Medicine. Le sensazioni riferite dai pazienti nei due studi sono molto simili, portando alla stessa conclusione: a livello della mano, la percezione del movimento è sempre percepita come un movimento coordinato delle dita.
“Questo studio rappresenta lo sforzo congiunto di due gruppi di ricerca, uno in Italia e uno negli Stati Uniti, che hanno ideato e studiato due interfacce per il ripristino della cinestesia, uniche a livello mondiale. La possibilità di confrontare i dati ottenuti in modo indipendente e con approcci diversi rende i nostri risultati promettenti“, afferma il Professor Marasco, coordinatore dello studio presso la Cleveland Clinic.
Lo studio, coordinato dall’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa in collaborazione con l’Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana (AOUP) e la Cleveland Clinic, ha ricevuto finanziamenti da fonti europee, italiane e statunitensi. Tra questi, i progetti del Consiglio Europeo delle Ricerche (ERC) MYKI e MYTI, oltre ai progetti finanziati dal Ministero dell’Università e della Ricerca Italiana, Fit For Medical Robotics e PROPRIOUSS. Parte dei dati raccolti negli USA è stata originariamente ottenuta grazie a finanziamenti concessi dall’Office of the Director del NIH e dalla DARPA. Il primo autore dello studio è un ricercatore presso la Technical University of Munich, sostenuto da una borsa di ricerca Marie Skłodowska-Curie Action.
Fonte: Scuola Superiore Sant’Anna – Ufficio stampa
