I recenti progressi nella tecnologia robotica hanno reso possibile la creazione di protesi artificiali che permettono di duplicare il movimento naturale delle gambe umane.
Questa funzionalità delle nuove protesi promette di migliorare notevolmente la mobilità degli amputati degli arti inferiori, permettendo loro di salire le scale, pendii, camminare su terreno irregolare, riducendo in modo significativo il rischio di cadere oltre a ridurre lo stress sul resto del loro corpo.
Le protesi sono state create da Michael Goldfarb e H. Forte Fiori, Professori di Ingegneria Meccanica presso il Centro di Vanderbilt University per la Meccatronica .
Lo studio è stato pubblicato sul numero del 6 novembre della rivista Science Translational Medicine .
Negli ultimi dieci anni, la squadra di Goldfarb ha fatto ricerche pionieristiche in protesi degli arti inferiori. Ha sviluppato il primo robot con protesi di ginocchio e della caviglia ed in seguito ha creato la prima gamba artificiale controllata dal pensiero, con una interfaccia neurale.
Nell’articolo, Goldfarb e dottorandi Brian Lawson e Amanda Shultz descrivono i progressi tecnologici che hanno reso le protesi robotiche praticabili. Questi includono le batterie agli ioni di litio che possono immagazzinare più energia elettrica, potente motore elettrico brushless con magneti in terre rare, sensori miniaturizzati integrati in chip semiconduttori, in particolare accelerometri e giroscopi e chip di computer a bassa potenza.
Le dimensioni e il peso di questi componenti sono abbastanza ridotte e rendono queste nuove protesi paragonabili ad una gamba biologica. Esse possono duplicare tutte le sue funzioni di base. I motori elettrici svolgono il ruolo dei muscoli. Le batterie immagazzinano energia sufficiente per operare per una giornata intera con una singola carica. I sensori hanno la funzione dei nervi nel sistema nervoso periferico e forniscono informazioni vitali come l’angolo tra la coscia e gamba e la forza esercitata sulla parte inferiore del piede, ecc. Il microprocessore fornisce la funzione di coordinamento normalmente fornito dal sistema nervoso centrale. E nei sistemi più avanzati, una interfaccia neurale migliora l’integrazione con il cervello.
A differenza di gambe artificiali passive, le gambe robotiche hanno la capacità di muoversi in modo indipendente e fuori sincrono con i movimenti degli utenti. Così lo sviluppo di un sistema che integra il movimento della protesi con il movimento dell’utente è “sostanzialmente più importante in una gamba robotica”, secondo gli autori.
Non solo la gamba robotica deve coordinare il sistema di controllo delle azioni della protesi all’interno di una attività come camminare, ma deve anche riconoscere l’intento di un utente di passare da un’attività all’altra, come lo spostamento da camminare a salire le scale.
Identificare l’ intento dell’utente richiede qualche connessione con il sistema nervoso centrale. Attualmente, ci sono molti diversi approcci alla creazione di tale collegamento, che variano notevolmente in invasività. Il metodo meno invasivo utilizza sensori fisici che interpretano l’intento dell’utente dal suo linguaggio del corpo. Un altro metodo – l’interfaccia di elettromiografia – utilizza elettrodi impiantati nei muscoli delle gambe dell’utente. Le tecniche più invasive coinvolgono impianto di elettrodi direttamente nel sistema nervoso periferico di un paziente o direttamente nel suo cervello. Quale di questi approcci si rivelerà migliore non è stato ancora identificato. “Approcci che comportano un maggior grado di invasività devono ovviamente giustificare l’invasività con notevole vantaggio funzionale …”,affermano i ricercatori nell’articolo.
“Ci sono una serie di potenziali vantaggi delle gambe bioniche”, sottolineano gli autori.
Gli amputati sperimentano con le gambe artificiali hanno frequenti esperienze di cadute che causano ospedalizzazione a un tasso superiore a quello degli anziani ed il tasso è in realtà più alto tra gli amputati più giovani. Ci sono diversi motivi per cui una protesi robotica può diminuire il tasso di cadute: gli utenti non devono compensare le carenze nel movimento come per le gambe passive perché la gamba bionica si muove come una gamba naturale. Inoltre possono essere programmate risposte attive nella gamba robotica che aiutano gli utenti a recuperare quando inciampano.
I nuovi dispositivi devono essere tuttavia, ancora approvati dalla US Food and Drug Administration (FDA).
Poiché i nuovi dispositivi sono sostanzialmente più complessi di protesi normali, i medici avranno bisogno di ulteriore formazione nel campo della robotica, sottolineano gli autori.
In aggiunta alla gamba robotica, il Centro di Goldfarb per Intelligent Mechatronics ha sviluppato un esoscheletro avanzato che permette ai paraplegici di alzarsi e camminare ed una mano robotica con una destrezza che si avvicina a quella della mano umana. Questi risultati hanno portato la rivista Popular Mechanics a nominare Michael Goldfarb come uno dei 10 innovatori che hanno cambiato il mondo nel 2013.
Fonte Science Translational Medicine , 2013; 5 (210): 210ps15 DOI:10.1126/scitranslmed.3007312
