Il neuroingegnere Silvestro Micera sviluppa soluzioni tecnologiche per aiutare le persone a recuperare le funzioni sensoriali e motorie dopo un trauma o in seguito a disturbi neurologici. Finora non si era mai occupato di migliorare il corpo umano e la cognizione con l’aiuto della tecnologia.
Nel suo studio, pubblicato su Science Robotics, il ricercatore e il suo team mostrano come sfruttare il movimento del diaframma per controllare un braccio aggiuntivo. In altre parole, l’idea è quella di dotare una persona senza problemi medici di un terzo braccio, in questo caso robotico.
"Il nostro lavoro apre nuove ed entusiasmanti possibilità, dimostrando che possiamo davvero controllare braccia aggiuntive, e che possiamo farlo controllando contemporaneamente le nostre due braccia naturali", spiega Silvestro Micera, Cattedra Bertarelli di Neuroingegneria Traslazionale all’EPFL e Professore di Bioelettronica alla Scuola Superiore Sant’Anna.
Lo studio fa parte del Third-Arm Project, che mira a fornire alle persone un braccio robotico per assisterle nelle attività quotidiane o per aiutarle nelle operazioni di soccorso. Silvestro Micera ritiene che, esplorando i limiti cognitivi associati all’uso di questo terzo braccio, saremo in grado di comprendere meglio il cervello umano.
"Controllando questo terzo braccio, il nostro obiettivo principale è capire il sistema nervoso", continua il ricercatore. Se si sfida il cervello chiedendogli di eseguire compiti completamente nuovi, si può capire se ha la capacità di farlo e se è possibile facilitare l’apprendimento. Possiamo quindi utilizzare queste conoscenze per progettare dispositivi per aiutare le persone disabili, ad esempio, o protocolli di riabilitazione dopo un ictus".
Vogliamo capire se i nostri cervelli sono cablati per controllare ciò che la natura ci ha dato", spiega Solaiman Shokur, co-direttore dello studio e docente e ricercatore senior all’EPFL. Abbiamo dimostrato che possono adattarsi coordinando nuovi arti contemporaneamente ai nostri arti biologici. L’idea è quella di acquisire nuove funzioni motorie, miglioramenti che vanno oltre le funzioni esistenti dell’utente medio, sia esso abile o disabile. Dal punto di vista del sistema nervoso, esiste un continuum tra riabilitazione e potenziamento".
In questo esperimento di realtà virtuale, l’utente è dotato di una cintura che misura i movimenti del diaframma. Indossando un casco per la realtà virtuale, vede tre arti: il braccio e la mano destra, il braccio e la mano sinistra e un terzo braccio tra i due, che termina con una mano simmetrica a sei dita.
"Abbiamo disegnato una mano simmetrica per evitare qualsiasi pregiudizio a favore della mano destra o sinistra", spiega Giulia Dominijanni, dottoranda presso l’Istituto Neuro-X dell’EPFL.
In questo ambiente virtuale, all’utente viene chiesto di tendere le mani destra e sinistra, o la mano simmetrica al centro. Nell’ambiente reale, l’utente si aggrappa a un esoscheletro con entrambe le braccia per controllare la versione virtuale dei due arti. I movimenti del diaframma rilevati dalla cintura vengono utilizzati per controllare l’arto medio simmetrico virtuale. Il sistema è stato testato su 61 persone in oltre 150 sessioni.
Controllare il terzo braccio con il diaframma è molto intuitivo", spiega Giulia Dominijanni. Gli utenti imparano molto rapidamente a controllare l’arto extra. Inoltre, la nostra strategia di controllo è di per sé indipendente dagli arti biologici. Abbiamo dimostrato che il controllo del diaframma non influisce sulla capacità dell’utente di parlare in modo coerente".
Gli scienziati hanno anche testato con successo il controllo attraverso il diaframma, utilizzando un vero e proprio braccio robotico - una versione semplificata che consiste in una bacchetta che può essere estesa e ritratta. Quando l’utente contrae il diaframma, la bacchetta si estende. Nell’esperimento, simile a quello condotto nell’ambiente virtuale, l’utente deve raggiungere gli obiettivi e tenerli con la mano, sia essa fisiologica o robotica.
Oltre al diaframma, gli scienziati hanno testato anche i muscoli dell’orecchio per verificare la loro capacità di svolgere nuovi compiti. Un esperimento non descritto nell’articolo. L’utente è stato dotato di sensori nell’orecchio e addestrato a controllare i movimenti fini dell’orecchio per controllare il movimento del puntatore del mouse su un computer.
"Gli utenti potrebbero potenzialmente utilizzare questi muscoli per controllare un arto aggiuntivo", spiega Solaiman Shokur. Secondo il ricercatore, questa strategia di controllo alternativa potrebbe un giorno contribuire allo sviluppo di protocolli di riabilitazione per i pazienti affetti da problemi motori.
Nell’ambito del Third Arm Project, gli studi precedenti sul controllo dei bracci robotici si sono concentrati sull’assistenza agli amputati. Ma quest’ultimo studio pubblicato su Science Robotics si allontana dai problemi di riparazione del corpo per passare a quelli di potenziamento.
"Nella fase successiva, esploreremo l’uso di dispositivi robotici più complessi, sfruttando le nostre diverse strategie di controllo. Questo comporterà l’esecuzione di compiti reali, sia all’interno che all’esterno del laboratorio. Solo allora avremo un’idea del vero potenziale di questo approccio", conclude Silvestro Micera.
