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Arti robotici che si inseriscono nel cervello
La maggior parte dei bracci robotici ora in uso da alcuni amputati sono di scarsa praticità; hanno solo due o tre gradi di libertà, consentendo all'utente di eseguire un singolo movimento alla volta. E sono controllati con uno sforzo cosciente, il che significa che l'utente può fare poco altro mentre muove l'arto.
Arti realistici: Un braccio protesico controllato dal cervello, in fase di sviluppo presso l'Applied Physics Lab della Johns Hopkins University con il finanziamento della DARPA, potrebbe consentire agli amputati di eseguire movimenti molto più sofisticati.
Una nuova generazione di armi protesiche molto più sofisticate e realistiche, sponsorizzata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) del Dipartimento della Difesa, potrebbe essere disponibile entro i prossimi 5-10 anni. Due diversi prototipi che si muovono con la destrezza di un arto naturale e teoricamente possono essere controllati in modo altrettanto intuitivo, con segnali elettrici registrati direttamente dal cervello, stanno ora iniziando i test sull'uomo.
I primi risultati di uno di questi studi, i primi test su un essere umano paralizzato che controlla un braccio robotico con più gradi di libertà, saranno presentati alla conferenza della Society for Neuroscience a novembre.
I nuovi design hanno circa 20 gradi di movimento indipendente, un salto significativo rispetto alle protesi esistenti e possono essere azionati tramite una varietà di interfacce. Un dispositivo, sviluppato da DEKA Ricerca e Sviluppo , può essere controllato consapevolmente utilizzando un sistema di leve in una scarpa.
In un approccio più invasivo ma anche più intuitivo, gli amputati subiscono un intervento chirurgico per trasferire i nervi rimanenti dagli arti perduti ai muscoli del torace. Pensare di muovere il braccio contrae i muscoli del torace, che a sua volta muove la protesi. Ma questo approccio funziona solo in quelli con sufficiente capacità nervosa residua e fornisce un livello limitato di controllo. Per sfruttare appieno la destrezza di queste protesi e farle funzionare come un vero braccio, gli scienziati vogliono controllarle con segnali cerebrali.
Quando raccogli un oggetto, il tuo cervello sa automaticamente di ruotare il polso e muovere le dita, dice Michael McLoughlin, che sta supervisionando lo sviluppo di una delle protesi al Laboratorio di Fisica Applicata (APL) alla Johns Hopkins University. Vogliamo un arto abile e la capacità di controllarlo in modo naturale, oltre a un certo livello di feedback tattile.
Negli ultimi cinque anni sono in corso test limitati di impianti neurali in pazienti gravemente paralizzati. Finora sono stati impiantati chip a circa cinque persone e sono state in grado di controllare i cursori sullo schermo di un computer, guidare una sedia a rotelle e persino aprire e chiudere una pinza su un braccio robotico molto semplice. Test più approfonditi su scimmie a cui è stato impiantato un chip corticale mostrano che gli animali possono imparare a controllare in modo utile un braccio protesico relativamente semplice, usandolo per afferrare e mangiare un pezzo di marshmallow.
Il prossimo grande passo è chiedersi, quante dimensioni puoi controllare? dice John Donoghue , un neuroscienziato della Brown University che sviluppa interfacce cervello-computer. Raggiungere l'acqua e portarla alla bocca richiede circa sette gradi di libertà. L'intero braccio ha nell'ordine 25 gradi di libertà. Il gruppo di Donoghue, che ha supervisionato i precedenti test sugli impianti corticali nei pazienti, ora ha due volontari paralizzati che testano il braccio DEKA. I ricercatori dell'APL hanno sviluppato un secondo braccio protesico con un repertorio ancora più ampio di possibili movimenti e hanno chiesto il permesso di iniziare i test sull'uomo. Mirano a iniziare l'impianto di pazienti con lesioni del midollo spinale nel 2011, in collaborazione con scienziati dell'Università di Pittsburgh e del Caltech.
I volontari in questo studio riceveranno due diversi chip corticali, ciascuno con 100 elettrodi di registrazione. Gli scienziati sperano che raddoppiare la capacità di ascoltare il cervello fornirà segnali indipendenti sufficienti per consentire movimenti più complessi sul sofisticato braccio APL. Questo è un braccio altamente abile e antropomorfo, afferma Andrew Schwartz , uno dei neuroscienziati coinvolti nello studio. La larghezza di banda delle informazioni necessaria per controllare il dispositivo è molto più alta.
I ricercatori di Pittsburgh testeranno anche nuovi chip combinati con sistemi di telemetria, che elaborano alcune delle informazioni registrate sul chip prima di inviarle a un processore impiantato nel torace. Il processore controlla quindi il braccio in modalità wireless. Le attuali versioni in uso nell'uomo e nelle scimmie inviano informazioni tramite fili che escono dal cranio, il che aumenta il rischio di infezione a lungo termine. Sebbene la nuova configurazione sarà in qualche modo simile a quella utilizzata nei pacemaker cardiaci e nei dispositivi di stimolazione cerebrale profonda, un braccio protesico svolge funzioni più complesse di un pacemaker e quindi sono necessarie più informazioni per controllarlo. Nessun dispositivo impiantabile dispone di un sistema di telemetria in grado di fornire questa larghezza di banda, afferma Schwartz. Questa tecnologia sarà un grande passo.
I ricercatori di Pittsburgh alla fine mirano ad aggiungere capacità sensoriali anche alle braccia, aggiungendo materiali in grado di rilevare il calore e altre proprietà e trasmettere tali informazioni a un terzo chip impiantato in una parte del cervello che elabora gli stimoli sensoriali.
Non è ancora chiaro quale sarà il più alto livello di complessità in termini di controllo del braccio. Speriamo di ottenere almeno 11 gradi di libertà, afferma Schwartz. Il suo team ha sviluppato algoritmi in grado di ricavare sette gradi di libertà di movimento nelle scimmie in tempo reale. Come ci sposteremo fino a 20 o 30? Non lo sappiamo, forse avremo bisogno di nuovi algoritmi, forse di più elettrodi, dice Schwartz.
Anche se i test hanno successo, i ricercatori devono affrontare una grande sfida; devono dimostrare che il sistema di controllo corticale invasivo è significativamente migliore degli approcci non invasivi. Gli amputati che utilizzano l'interfaccia controllata dalla scarpa possono raccogliere scatole, azionare un trapano e persino usare le bacchette. Se tu fossi un amputato e potessi farlo con le scarpe, ti metteresti un sensore nel cervello? chiede Donoghue. Può essere una questione di preferenze personali e del livello di rischio e beneficio che ogni persona è disposta a tollerare. Potresti, perché è più naturale e puoi camminare e fare altre cose.