La caviglia bionica 'emula la natura'

In questi giorni, Hugh Herr, professore associato di arti e scienze dei media al MIT, riceve circa 100 e-mail ogni giorno da persone di tutto il mondo interessate ai suoi arti bionici.

I messaggi arrivano da persone amputate che cercano protesi e da media che cercano interviste. Poi ci sono studenti che cercano di unirsi al gruppo di ricerca di Herr. La tecnologia ispira i giovani a entrare in campo, il che è meraviglioso, afferma Herr.

È un segno del lavoro rivoluzionario che Herr ha svolto al MIT Media Lab negli ultimi due decenni. Lui stesso amputato, Herr ha progettato (e indossato) protesi per gambe bioniche che, dice, emulano la natura, imitando le funzioni e il potere di ginocchia, caviglie e polpacci biologici.

Il mese scorso, il discorso TED di Herr ha fatto notizia, quando Adrianne Haslet-Davis, una ballerina professionista la cui gamba è stata parzialmente amputata dopo gli attentati alla maratona di Boston del 2013, ha usato una delle sue protesi per suonare la rumba sul palco.

Foto: Bryce Vickmark

La maggior parte di queste protesi ha raggiunto il mondo attraverso la startup di Herr, BiOM (originariamente chiamata iWalk). Dal 2010, l'azienda ha portato il primo sistema bionico di piede e polpaccio a più di 900 pazienti in tutto il mondo, inclusi circa 400 veterani di guerra.

È sempre bello progettare qualcosa che le persone utilizzeranno. È fantastico fare scienza, sì, ma è anche bello vedere l'umanità usare qualcosa che uno ha inventato, dice Herr, aggiungendo: Tradurre la tecnologia fuori dal laboratorio mantiene gli ingegneri onesti.

Inizialmente sviluppata dal gruppo di ricerca di Herr, la protesi di BiOM, soprannominata il sistema BiOM T2, simula una caviglia biologica (e il muscolo del polpaccio connesso), offrendo una funzione naturale della caviglia durante i passi.

Utilizzando la propulsione bionica alimentata a batteria, due microprocessori e sei sensori ambientali regolano la rigidità, la potenza, la posizione e lo smorzamento della caviglia migliaia di volte al secondo, in due posizioni principali: in primo luogo, all'impatto del tallone, il sistema controlla la rigidità della caviglia per assorbire gli urti e spingere la tibia in avanti. Quindi, gli algoritmi generano una potenza fluttuante, a seconda del terreno, per spingere chi lo indossa in alto e in avanti.

Quando si adatta la protesi ai pazienti, i protesisti possono programmare la rigidità e la potenza appropriate durante tutte le fasi di un'andatura, utilizzando un software creato dal gruppo di Herr, un processo che l'azienda chiama Personal Bionic Tuning.

Tra le altre cose, il sistema ripristina l'andatura naturale, l'equilibrio e la velocità; riduce lo stress articolare; e riduce drasticamente il tempo necessario per acclimatarsi alla protesi (che può richiedere settimane o mesi con i modelli convenzionali). Spesso, in pochi minuti, un paziente va in giro, persino correndo, afferma Herr, chief technology officer di BiOM.

Il sistema, afferma Herr, potrebbe anche aiutare a prevenire l'osteoartrosi, una condizione articolare causata dall'età e dall'affaticamento delle gambe, fornendo potenza e supporto a polpacci e caviglie anche in età avanzata.

Passare dalla panchina al capezzale

Durante gli anni '90 e l'inizio degli anni 2000, Herr, che ha perso entrambe le gambe dopo un incidente in arrampicata nel 1982, ha iniziato a ricercare le carenze delle protesi convenzionali e a modellare matematicamente come funziona l'articolazione della caviglia mentre si cammina.

Tra le altre cose, la caviglia si irrigidisce e fornisce propulsione (nella gamba posteriore) durante la falcata, mitigando l'impatto sulla gamba principale e riducendo lo sforzo sulle articolazioni della gamba e sulla schiena. Quando gli amputati indossano protesi convenzionali, che si basano su molle o sistemi idraulici e non rilasciano più energia di quanta ne assorbono, camminano più lentamente, consumano più energia metabolica e sperimentano un maggiore stress muscoloscheletrico, che causa l'artrosi articolare.

La ricerca scientifica e ingegneristica che alla fine ha portato alla protesi BiOM di oggi è stata condotta dal gruppo di ricerca di Herr all'interno del MIT Media Lab. Dal 2003, il gruppo ha progettato e fabbricato molti prototipi protesici per testare ipotesi sull'interazione uomo-macchina. Molti di questi - prototipi con parti meccaniche esposte e fili ad anello - sono in mostra permanente al MIT Media Lab.

Ancora oggi, Herr ricorda di essere entrato per la prima volta nel primo prototipo di gamba bionica del gruppo, per poi tornare a una protesi tradizionale.

È stato profondo come quando stai camminando per l'aeroporto e colpisci il tapis roulant. Quando scendi e torni alla normale camminata, dici: 'Camminare è davvero faticoso e lento', dice. Ecco com'è stato passare dal nostro sistema alimentato a sistemi convenzionali passivi. Quindi sapevo che clinicamente c'era magia lì.

L'esperienza di Herr nella commercializzazione di un'articolazione del ginocchio controllata da computer, progettata dal suo gruppo per l'azienda islandese Ossur, lo ha ispirato a lanciare iWalk nel 2006. Il ginocchio, ora utilizzato da migliaia di pazienti in tutto il mondo, utilizza particelle di ferro sospese nell'olio tra piastre di acciaio e manipolate da un campo elettromagnetico per irrigidirsi o rilassarsi durante l'andatura di chi lo indossa.

Con Ossur c'è stato un trasferimento di tecnologia pesante e dispendioso in termini di tempo, ma il lancio di una startup del MIT ha assicurato, tra le altre cose, che un gruppo centrale di inventori sarebbe rimasto per innovare e commercializzare il prodotto.

Penso sempre a ridurre al minimo il tempo e gli investimenti per passare dalla panchina al capezzale, dice Herr. Avviare un'azienda è un modo per aumentare l'efficienza. Ed è l'ideale per la passione: gli inventori si preoccupano molto delle loro invenzioni e quella passione e impegno alimentano il progresso commerciale.

Il sistema BiOM odierno ha subito più di 20 iterazioni, finanziate da circa 50 milioni di dollari di capitale di rischio e sovvenzioni, e l'azienda continua a progettare e innovare. Non solo il sistema alla caviglia BiOM sta migliorando di mese in mese, di anno in anno, ma l'azienda sta anche pianificando di lanciare ulteriori prodotti bionici nello spazio per fornire assistenza a un numero maggiore di persone, afferma Herr.

Artrosi, design umanoide e bionica personale

L'obiettivo più ampio di BiOM è prevenire condizioni costose come l'artrosi. Con l'avanzare dell'età, la perdita di fibre muscolari veloci e la forza eccessiva fanno perdere potenza ai muscoli della caviglia e del polpaccio, causando disturbi articolari dolorosi, come l'artrosi del ginocchio e la lombalgia, causati in parte da andature goffe e zoppicanti. Nella popolazione anziana, l'artrosi articolare è una delle principali cause di disabilità motoria.

Almeno tra gli amputati, dice Herr, BiOM potrebbe aiutare adattando le popolazioni anziane con protesi alle gambe uguali in agilità biomeccanica e controllo alle gambe di un giovane adulto: ci troviamo in una posizione in cui possiamo mettere i muscoli del polpaccio di 18 anni su pazienti indipendenti della loro età, mitigando il problema dell'artrosi articolare in tutte le popolazioni, afferma Herr.

Promuovendo le protesi, afferma Herr, la tecnologia potrebbe anche portare all'innovazione in un campo strettamente correlato: la robotica umanoide. Immagina un futuro in cui avremo piedi, caviglie, ginocchia e fianchi bionici tecnologicamente ottimali. Si potrebbero semplicemente unire questi pezzi per produrre una piattaforma hardware umanoide, dice Herr.

Ma alla fine, il lavoro di BiOM e del gruppo di Herr al MIT, dice, mira a contribuire a rivoluzionare l'idea di bionica personale, confondendo i confini tra l'elettromeccanica e il corpo umano. Ad esempio, il suo gruppo del MIT sta lavorando, tra le altre cose, su arti bionici che possono essere controllati dalla mente e attaccati al corpo.

Mentre entriamo in questo secolo, la tecnologia diventerà più intima con i nostri corpi, dice Herr. L'approccio al design bionico si basa sulla scienza biologica che cerca di capire fondamentalmente come funzionano i nostri corpi e cervelli e traduce quella conoscenza in una tecnologia che riflette quei principi, portando a un mondo in cui la tecnologia, poiché è così innata umana, essenzialmente svanisce.

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