MYKI: l’innovativa mano robotica italiana sfrutta i campi magnetici

Perchè si può parlare di mano robotica innovativa? In cosa MYKI, la mano robotica sviluppata dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, differisce rispetto alle protesi di arto superiore finora sviluppate? L’innovazione del nuovo arto bionico risiede nel principio di funzionamento basato sulle proprietà del campo magnetico. La tecnologia alla base dell’innovazione ha permesso al progetto di aggiudicarsi il finanziamento dello European Research Council.

Il progetto

MYKI (Bidirectional Myokinetic Implanted Interface for Natural Control of Artificial Limbs), è il primo finanziamento europeo (ERC) assegnato alla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa (Figura 1). Il progetto si inserisce nell’area di ricerca dell’Artificial Hands Area e ha come obiettivo principale quello di sviluppare una protesi di mano che sia controllata e percepita in modo naturale e simultaneamente dal soggetto amputato.

Le caratteristiche

Per ottenere un sistema innovativo si sfruttano i principi del campo magnetico. Il sistema, infatti, prevede l’impianto di magneti delle dimensioni di qualche millimetro all’altezza dei muscoli dell’avambraccio. Lo spostamento di tali magneti, prodotto a seguito della contrazione muscolare, attiverà la mano robotica. Gli approcci convenzionali dai quali MYKI si discosta, sfruttano la registrazione di segnali elettrici del sistema nervoso periferico. La nuova tecnologia implementata, invece, riesce a decodificare gli stimoli motori che il paziente manda alla macchina, muovendola tramite l’utilizzo di attuatori e restituendo un feedback tattile all’individuo grazie alla presenza di sensori di forza e posizione.

La protesi è progettata in modo da riuscire a compiere le prese principali, utili in attività di vita quotidiana. In particolare riesce a garantire:

• La mobilità indipendente di pollice e indice;
• L’opposizione del pollice.

Nel nostro portale abbiamo affrontato l’argomento relativo alla progettazione e sviluppo di mani robotiche e di protesi di arto superiore in diversi articoli, consultabili di seguito:

• Energy Family Project e e-NABLE Italia creano protesi per bambini con la stampa 3D
• GRACE: nuovi attuatori stampati in 3D simulano i muscoli
• PRISMA Hand II: la mano robotica frutto dell’eccellenza biomedica italiana
• Protesi attive: istruire i muscoli è possibile, anche in arti amputati
• Dalla robotica “soft” alle protesi mioelettriche: arriva la mano protesica gonfiabile

Obiettivi scientifici e tecnologici

Per poter sviluppare la tecnologia del progetto, si è reso necessario sviluppare il localizzatore magnetico, capace di leggere la variazione di posizione dei magneti a seguito di una contrazione muscolare. Ne è stato valutato, e dimostrato il funzionamento, a seguito della sperimentazione su un modello che simulava un avambraccio, e la contrazione di quattro muscoli.

Per restituire un feedback sensoriale al paziente (Figura 2) si è dovuto implementare un attuatore magnetico. L’idea è stata quella di integrare direttamente nella protesi delle bobine (o elettromagneti), che sono in grado di generare un campo magnetico controllabile, abbastanza ampio da interagire con i magneti permanenti impiantati nel soggetto. In questo modo, le forze d’interazione generate produrranno ulteriori forze magnetiche che potranno essere percepite dai sensori di recezione integrati nei muscoli. Se questi stimoli sono percepiti dal soggetto, il magnete si comporterà come un’interfaccia uomo-macchina bidirezionale.

Inoltre, un importante sforzoè stato posto sulle tipologie di contrazione muscolare che ci si deve aspettare da un amputato in relazione con i diversi task compiuti. Per questi motivi, ci si è distaccati da algoritmi standard di controllo diretto, dando priorità ad algoritmi bio-inspirati, come la pattern recognition.

Per quanto riguarda invece il ritorno sensoriale, il progetto MYKI si pone, per la prima volta, l’obiettivo di investigare la percezione psicofisica di stimoli meccanici intramuscolari.

Segnalando artificialmente tali eventi meccanici al cervello, i pazienti potrebbero integrare rapidamente le informazioni pervenute nel loro controllo sensorimotorio. Dalle ricerche effettuate, è emerso che fornire al paziente un feedback vibro-tattile discreto impedisce lo scivolamento dell’oggetto nelle protesi della mano in modo più intuitivo rispetto ad altre modalità (Figura 3).

Conclusioni

Essendo la ricerca in una fase terminale, a valle dello sviluppo e del test dei primi prototipi è necessario valutare clinicamente i risultati, effettuando il primo impianto in un paziente. In particolare, oggi la mano è pronta per essere temporaneamente impiantata su soggetti con amputazione al livello del polso o dell’avambraccio.

Questa mano robotica è stata ingegnerizzata in collaborazione con la spin off della Scuola Superiore Sant’Anna, Prensilia, e con l’obiettivo di commercializzazione entro il 2023.