La prima mano robotica a controllo magnetico sviluppata dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa fa un nuovo passo avanti: un‘interfaccia innovativa restituisce alla mano la percezione del movimento. A dimostrarlo è un nuovo studio condotto su Mia Hand e pubblicato su ‘Science Advances’, che si è guadagnato la copertina della rivista.
Il team di scienziati coordinati da Christian Cipriani ha sviluppato una nuova interfaccia bidirezionale per protesi di mano che utilizza le vibrazioni generate da magneti impiantati nei muscoli residui dell’avambraccio del paziente, per ripristinare sensazioni di movimento naturali. Integrata alla celebre mano robotica sviluppata da Prensilia, Mia Hand, l’interfaccia è stata sperimentata per sei settimane su un giovane italiano di 34 anni, Daniel, con un’amputazione dell’avambraccio sinistro.
Si tratta della seconda tappa della ricerca, dopo lo studio pubblicato a settembre del 2024 su ‘Science Robotics’ relativo alla prima fase della sperimentazione, legata alla capacità della mano robot di riprodurre un’ampia gamma di movimenti. Un passaggio fondamentale, dicono da Pisa, per arrivare ad una soluzione che possa effettivamente cambiare la vita delle persone amputate.
Protesi di mano e sensazioni naturali
Quando una persona perde la mano e inizia a usare una protesi, non è più in grado di sentire i propri movimenti. Viene a mancare la cinestesia, cioè la capacità di percepire il movimento nello spazio. L’amputazione, infatti, spezza il legame tra il movimento e la sensazione che normalmente lo accompagna, e rende molto più difficile usare una protesi in modo naturale e intuitivo.
Nelle persone amputate questo fenomeno viene studiato per capire come ripristinare la sensazione di movimento dell’arto perduto. La tecnica principale consiste nel somministrare vibrazioni superficiali, che coinvolgono però sia la pelle che i muscoli sottostanti. Questo tipo di stimolazione attiva i recettori cutanei e muscolari, rendendo difficile capire quanto la sensazione di movimento dipenda davvero dai muscoli.
L’interfaccia e i piccoli magneti
Per superare questo limite il team della Sant’Anna ha sviluppato una nuova interfaccia: la myokinetic kinesthetic interface (MKkI). Piccoli magneti vengono impiantati nei muscoli dell’avambraccio e una serie di bobine esterne (solenoidi) li fa vibrare da remoto. In questo modo si stimolano soltanto i muscoli, suscitando sensazioni di movimento naturali. Nel corso dello studio il paziente è riuscito a percepire la mano che si apriva e si chiudeva con movimenti coordinati, molto simili a quelli reali.
“Grazie a un semplice impianto passivo e mininvasivo, siamo in grado di stimolare la muscolatura senza alcun contatto con la pelle. Si tratta di una sorta di stimolazione intracorporea, che non solo può essere la chiave per comprendere meglio come funziona il controllo motorio umano, ma anche per capire come ripristinarlo in persone che subiscono un’amputazione”, spiega Federico Masiero, primo autore dello studio, al tempo degli esperimenti dottorando presso la Sant’Anna e ora ricercatore al Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) del Technical University of Munich (TUM).
Le prospettive della ricerca sulla mano robotica
Il prossimo obiettivo è sfruttare simultaneamente i magneti sia per il controllo della protesi, che per la restituzione di percezioni sensoriali naturali, favorendo un’interazione persona-robot sempre più efficace.
Come precisa il professore della Scuola Sant’Anna Christian Cipriani, ideatore dell’interfaccia oltre che coordinatore dello studio, “l’impianto era stato progettato per durare sei settimane, un tempo che ritenevamo sufficiente per una prima verifica dell’utilità e dell’efficacia dell’interfaccia. I risultati sono stati molto promettenti e ci hanno spinto a esplorare una soluzione impiantabile permanente, finanziata dal Piano Nazionale Complementare al Pnrr con il progetto Fit 4 Medical Robotics, che ci consentirà di studiare l’interfaccia su periodi molto più lunghi e con un numero maggiore di partecipanti”.
Una precisazione: questo lavoro raccoglie lo sforzo di due gruppi di ricerca, uno in Italia, l’altro negli Stati Uniti, che hanno ideato e studiato due interfacce per il ripristino della cinestesia uniche al mondo. La collaborazione con la Cleveland Clinic Research ha messo a disposizione dei ricercatori italiani i risultati su uno studio simile, condotto nel 2018. “La possibilità di confrontare questi dati, ottenuti in modo indipendente e con approcci diversi, è ciò che rende i nostri risultati promettenti”, afferma il professor Paul Marasco, coordinatore dello studio presso la clinica universitaria di Cleveland.
I ‘cervelli’ coinvolti nella ricerca sulla mano robotica sensibile
Se l’unione – anche nella robotica – fa la forza, questo studio coordinato dall’Istituto di BioRobotica della Sant’Anna, in collaborazione con l’Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana (AOUP) e Cleveland Clinic, è stato sostenuto da finanziamenti europei, italiani e statunitensi. Il primo autore, Federico Masiero, è stato finanziato da una borsa di ricerca Marie Skłodowska-Curie Action.