La Biomeccatronica italiana, tra Genova e Pisa

Natural Bionics: protesi biomeccatroniche di nuova generazione

TECNOLOGIA – 10 milioni di euro per sei anni: questo è l’ammontare del finanziamento dell’European Research Council (ERC) per il progetto Natural Bionics, nato da una proposta presentata in collaborazione tra alcuni dei principali enti ed istituti di ricerca europei, ossia l’IIT di Genova, l’Imperial College di Londra e la Medical University di Vienna, e che riguarda, appunto, lo sviluppo di rivoluzionarie protesi d’arto che non solo consentano ai pazienti il recupero della funzionalità deambulatoria e manipolatoria, ma permettano anche di ripristinare le sensazioni tipiche del contatto tattile, come il freddo, il caldo, l’asciutto, il bagnato e così via.

Si tratta, naturalmente, di un progetto rivoluzionario, che richiede, per l’appunto, una cooperazione tra ambiti disciplinari molto diversi: mentre, infatti, Antonio Bicchi e il suo team dell’IIT forniranno la competenza necessaria in materia di robotica, Oskar Aszmann della Medical University di Vienna metterà in campo la sua expertise in ambito più prettamente medico, in particolare neuroanatomico.

Infine, a far da collante tra i due diversi mondi, l’equipe di Dario Farina dell’Imperial College di Londra coordinerà la parte delle attività più strettamente correlate con gli aspetti bioingegneristici, in particolare sugli aspetti della neuroriabilitazione.

Meccatronica: una disciplina di frontiera

Il tema dell’interazione tra uomo e macchina è stato affrontato in varie occasioni da OggiScienza, che ha esplorato sia l’ambito delle interfacce avanzate, ispirate in molti casi dalla fantascienza, sia l’ambito delle protesi biomeccatroniche.

Di che cosa parliamo esattamente? Partiamo dal termine meccatronica, sempre più diffuso e utilizzato, che identifica una disciplina basata su un approccio innovativo nella concezione, sviluppo ed implementazione di sistemi e componenti complessi, mediante una integrazione sempre più spinta tra ambiti di ricerca differenti, tra cui l’elettronica, la meccanica, l’ingegneria del software, ma anche la chimica, la genetica e la biologia.

Nel mondo dell’industria, i dispositivi e i sistemi meccatronici sono già oggi largamente diffusi e utilizzati, e la disciplina stessa costituisce uno dei pilastri fondamentali nell’ambito della trasformazione che va sotto il nome di Industria 4.0, come testimoniato dai numerosi eventi a cui partecipano i principali attori del mondo industriale italiano ed internazionale, primi fra tutti la Fiera SPS e il Forum Meccatronica, giunto quest’anno alla sua quinta edizione.

Robotica e biomeccatronica

Un ottimo esempio di sistema meccatronico è il robot, ossia, nella accezione più generale, un automa in grado di eseguire un compito predefinito, la cui architettura si fonda sulla comunicazione di parti differenti: un sistema di elaborazione, in cui tipicamente viene eseguito un software di controllo, un apparato di sensori per catturare informazioni dal mondo esterno, ed attuatori, ossia dispositivi in grado generare un movimento.

Non può sfuggire, naturalmente, l’analogia con i sistemi biologici, una perenne fonte di ispirazione sia per lo sviluppo sia di algoritmi complessi di intelligenza artificiale, che per la concezione di macchine che emulino il comportamento delle creature viventi.

In una forma ancora più avanzata, tuttavia, la cooperazione delle discipline ingegneristiche con il dominio della biologia e delle scienze mediche può rivelarsi ancora più profondo: è il caso della realizzazione di protesi di nuova generazione, concepite con lo scopo ambizioso di non limitarsi a restituire ad un paziente la capacità di camminare o manipolare oggetti, ma persino di recuperare gli stimoli sensoriali caratteristici della interazione col mondo esterno. In questo caso, si parla più propriamente di biomeccatronica.

Protesi rivoluzionarie grazie ad una cooperazione multidisciplinare

Tornando a Natural Bionics, il suo obiettivo è decisamente molto ambizioso: prima di tutto analizzare le caratteristiche anatomiche del paziente in cui impiantare l’arto bionico, al fine di ottimizzare il design dei componenti coinvolti nello sviluppo.

Successivamente, sviluppare mediante il reimpianto di fibre nervose sensoriali provenienti dal paziente una sofisticata interfaccia che consenta di convogliare gli stimoli catturati direttamente dai tessuti biologici verso il sistema artificiale, per poi condurli direttamente verso il sistema nervoso centrale: inoltre, il sistema sviluppato sarà in grado di catturare i comandi volontari, sotto forma di segnali elettrici, e tradurli in modo naturale in azioni da attuare da parte della protesi.

Quindi, se da una parte sarà minimizzato il rischio di rigetto, sia fisiologico che psicologico, da parte del paziente, dall’altra sarà possibile replicare in modo completo la comunicazione bidirezionale tra l’arto e il cervello, quindi sia nell’esecuzione di azioni che nella ricezione degli stimoli esterni.

Tutto questo sarà possibile grazie alla realizzazione, dovuta all’interazione tra dispositivi meccatronici e cellule biologiche, di un simulacro di immagine senso-motoria dell’arto perduto: per dirla in termini semplici, dal punto di vista biologico il cervello del paziente vedrà la protesi come se fosse un arto naturale, eliminando le spiacevoli sensazioni di corpo estraneo, e percepirà delle sensazioni del tutto analoghe a quelle che sperimenterebbe con l’arto originario stesso.

L’Italia nel mondo della Biorobotica

Il progetto Natural Bionics non costituisce un unicum nel panorama della ricerca biorobotica, nè l’IIT la sola realtà attiva nell’ambito nel nostro Paese: un esempio è costituito da questo studio, condotto in partnership dall’Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, dai ricercatori dell’Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna e da altre istituzioni di ricerca, incentrato proprio sulla realizzazione di sistemi e componenti muniti della capacità di restituire ai pazienti amputati le sensazioni derivanti dall’interazione e dal contatto con gli oggetti del mondo esterno.

Peraltro, il Sant’Anna è stato di recente uno dei primi promotori di un evento consistente in ben tre conferenze simultanee: ICNR (International Conference on Neurorehabilitation), WeRob (The International Symposium on Wearable Robotics) e INBOTS (Inclusive Robotics for a better society), in occasione delle quali centinaia di esperti provenienti da tutto il mondo si sono confrontati proprio sul tema della neuroriabilitazione, del design eticamente allineato di macchine e robot e molti altri temi innovativi della ricerca biorobotica.

Che, a quanto pare, vede il nostro Paese sempre più tra i principali protagonisti, con Genova e Pisa a fare da apripista.

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