Biomeccatronica: la fusione tra uomo e macchina.

Cercando “biomeccatronica” su Google si ottengono veramente pochi risultati, basti pensare che cercando “arti artificiali” se ne ottengono molti di più e le due cose sono strettamente correlate. Ma che cos’è la biomeccatronica? La biomeccatronica è definibile come quella scienza applicata, branca della bionica, che unendo studi di biologia, meccanica ed elettronica ha come fine quello di migliorare o permettere alcune capacità motorie nell’individuo. In realtà oltreoceano, dove la parola è sicuramente più conosciuta, c’è un numeroso gruppo di ricerca capitanato da Hugh Herr in sede al famoso MIT, e questo è solamente il gruppo più famoso; attualmente questo tipo di ricerca si sta sempre più espandendo nel mondo e negli Stati Uniti è anche finanziato in particolare dal Dipartimento degli Affari dei Veterani e dal loro Dipartimento della Difesa.

relaxLo stesso Hugh Herr racconta di aver perso entrambe le gambe nel ’82 per danno da congelamento a causa di un incidente alpinistico, ma grazie ai progressi tecnologici fatti dalla biomeccatronica è riuscito a tornare non solo a camminare, ma anche a scalare agevolmente ripide pareti rocciose. L’ingegnere spiega come il meccanismo alla base delle sue gambe bioniche, e quindi tendenzialmente degli arti bionici in generale, secondo gli studi svolti dal suo team, sia dato dall’ingegnerizzazione di tre interfacce estreme: quella meccanica, quella dinamica e quella elettrica.

Per l’interfaccia meccanica, Herr spiega come sia difficile attaccare meccanicamente apparecchi esterni al corpo senza causare problemi e facendo sì che questi funzionino adeguatamente, nonostante comunque un grande aiuto sia stato dato da recenti tecnologie come ad esempio la stampante 3D; basti pensare come ancora adesso una scarpa, anche se della giusta misura, possa causarci comunque problemi e non essere proprio comoda. Nel modello del MIT, gli arti bionici sono attaccati al corpo attraverso della pelle sintetica con variazioni di rigidità e flessibilità che si adattano ai tessuti ai quali è collegata. Per consentire ciò è stato studiato l’arto amputato sia con strumenti usati spesso in medicina, come la risonanza magnetica, sia con strumenti più specificatamente ingegneristici. Studiando i dati ottenuti si è arrivati alla conclusione di come l’opzione migliore e più comoda per il paziente sia utilizzare pelle sintetica rigida dove il corpo è morbido e pelle sintetica morbida dove il corpo è più rigido.

gamba meccanica 2L’interfaccia dinamica prevede invece uno studio anatomico e fisiologico dei muscoli dell’uomo, di come avviene la deambulazione e di come stiamo in posizione eretta. Per quanto riguarda l’applicazione di questi studi agli arti inferiori ad esempio, abbiamo che quando il tallone della protesi entra in contatto con il suolo il sistema calcola una serie di fattori che determinano con quale forza avverrà l’impatto finale dell’arto con il terreno. Una volta che l’appoggio sarà totale, la protesi produrrà dunque una forza adatta a sollevare la persona e a consentire la camminata, analogamente a quanto avviene quando si utilizzano i muscoli della gamba.

Infine, l’interfaccia elettrica si basa sull’applicazione di alcuni elettrodi che rilevano gli impulsi elettrici dei muscoli della parte restante dell’arto amputato, consentendo il movimento della protesi. Studiando inoltre il sistema nervoso periferico e l’invio di stimoli ai muscoli tramite tecniche come l’elettromiografia e l’elettroneurografia, i ricercatori del MIT sono riusciti a fare in modo che il segnale ricevuto dagli elettrodi sia modulabile, ovvero: se i muscoli dell’arto residuo sono rilassati si riceve poca forza e momento, se invece vengono stimolati maggiormente si ottengono maggiore forza e momento, consentendo tranquillamente anche di correre, il tutto sotto perfetto controllo del paziente.

gamba meccanica 3Sicuramente ora ci si potrebbe domandare se sarà anche possibile avere una percezione e una sensibilità di tutto questo; sempre Hugh Herr e il suo team del MIT hanno avviato una ricerca in tal direzione, ma un contributo molto consistente è già stato dato dal progetto LifeHand2, coordinato dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e dall’Ecole Polytechnique Federale di Losanna e che ha visto collaborare numerosi centri e ricercatori in Italia e in Europa. I risultati del progetto, pubblicati nel 2014 su Science Translational Medicine, hanno evidenziato come un paziente, che aveva perso una mano e coinvolto nella ricerca, riuscisse a calibrare perfettamente la forza con cui afferrare gli oggetti, senza nemmeno la necessità di dover guardare ciò che stava facendo in quanto la propriocezione del tutto era a ottimi livelli, tale da fargli addirittura riconoscere gli oggetti che stava toccando seppur bendato. Ciò è stato possibile tramite la stimolazione dei fascicoli dei nervi mediano e ulnare usando degli elettrodi multicanale trasversali intrafascicolari che, ricevendo informazioni dai sensori artificiali della mano bionica, trasmettono il tutto al paziente in tempo reale.

I progressi fatti in materia di bionica e biomeccatronica sono sicuramente tali da riconsentire a una persona che ha perso uno o più arti di riacquisire buona parte delle sue capacità motorie, ma non si limitano solo a questo: oltre allo studio di esoscheletri utilizzabili anche da persone senza problemi motori di alcun tipo (ovviamente anche qui il team del MIT ha fatto grandi cose), alcuni di questi studi e queste tecnologie possono essere, e sono infatti utilizzati per colmare altri deficit come quello visivo ad esempio, sostituzione di organi danneggiati e molto altro ancora. Per quanto riguarda la biomeccatronica, l’innovazione e il punto in cui ci si trova al momento è tale da aver consentito al team di Herr una versatilità così ampia da consentire non solo a lui di tornare a fare arrampicata, ma anche di far tornare Adrianne Haslet-Davis, una ballerina che aveva perso una gamba durante l’attentato alla maratona di Boston nel 2013, a ballare, il tutto “semplicemente” studiando  i movimenti tipici dei danzatori e applicando il tutto alle tecnologie in loro possesso.

Alessandro Naim

Author: EC93

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