Una mano non è solo un gruppo di cinque dita tenute insieme da una struttura scheletrica e coperte da un po’ di epidermide. E’ un arto di straordinaria complessità che non ha uguali nel mondo animale. Il suo pollice opponibile, capace di muoversi indipendentemente dalle altre dita e cooperare con esse nell’apparentemente semplice azione di afferrare un oggetto, ha avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo dell’intelligenza umana. Perciò, la perdita di una mano o dell’avambraccio è un evento fortemente limitante; la tecnologia moderna sta mettendo a punto protesi sempre più avanzate che permettano di sostituire degnamente l’arto amputato. Christian Cipriani, giovane ricercatore della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, sta portando avanti un progetto di frontiera, MY-HAND, che ha ricevuto un importante finanziamento dal Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca nell’ambito del programma “Futuro in Ricerca”.

La ricerca nel campo delle protesi artificiali

“La Scuola Sant’Anna di Pisa e in particolare l’Istituto di Bio-Robotica si occupa dello studio e sviluppo di mani robotiche artificiali e di protesi di mano innovative dal 1999”, spiega il dottor Cipriani, intervistato da Fanpage. “Inizialmente, era l’INAIL a finanziare un piccolo laboratorio congiunto coordinato dalla professor Carrozza; dopo alcuni anni, dai primi anni 2000, sono stati fondi europei competitivi a finanziare queste ricerche a Pisa. In particolare sono i progetti CYBERHAND (2002-2005), NEUROBOTICS (2003-2008) coordinati dal professor Dario della Scuola Sant’Anna e SMARTHAND (2006-2010) coordinato dall’Università di Lund. Il mio progetto di ricerca si inserisce in questo contesto e a differenza degli altri, rappresenta il primo significativo finanziamento da parte del Ministero della Ricerca”.

Un risultato importante soprattutto perché ottenuto da un ricercatore giovane, che sta facendo fare importanti passi in avanti nella ricerca in questo settore. “L’obiettivo del progetto è lo stesso, da tempo perseguito alla Scuola: realizzare una protesi di mano controllabile intuitivamente e in grado di restituire stimoli sensoriali alla persona; in altre parole, una mano in grado di trasformare l’intenzione dell’amputato in azione della mano robotica, e allo stesso tempo, l’interazione della mano con il mondo in percezione per la persona. L’obiettivo è consentire un controllo intuitivo e capacità manipolative, utilizzando delle interfacce non-invasive, indossabili. La novità del progetto sta proprio nell’idea di controllo: si vuole unire ai segnali mioelettrici (i segnali elettrici che naturalmente scorrono nei muscoli quando compiamo un movimento) informazioni inerziali del braccio, di modo da compensare gli effetti negativi del peso e dell’inerzia della protesi in movimento. A questo concetto di controllo, di cui detieniamo un brevetto, integreremo feedback vibrotattile collegato ai sensori artificiali sulla protesi robotica: ogni volta che l’amputato toccherà qualcosa, sentirà una piccola vibrazione sul moncone”.

Una mano-robot di ultima generazione

La differenza, insomma, non solo si vede, ma si sente. Infatti, spiega Cipriani, “le mani artificiali tradizionali e in commercio si differenziano molto da questo concetto, sia perché sono semplici pinze e quindi, con una destrezza molto limitata, sia perché non sono controllate naturalmente, e perché non restituiscono all’amputato nessuno stimolo di feedback sensoriale”.

Per la precisione, le protesi attualmente in commercio si dividono in cinematiche, cosmetiche e mioelettriche. “Le protesi cosmetiche sono semplici rimpiazzi estetici, che possono essere usate a supporto dell’altra mano (sia naturale che artificiale). Le protesi cinematiche sono costituite da una pinza o un uncino, il quale è movimentato da un cavo inguainato (il funzionamento è simile al freno della bicicletta) che è connesso a una parte del corpo libera di muoversi (solitamente si utilizza l’abduzione/adduzione della scapola per aprire chiudere un uncino). Le protesi mioelettriche, sono semplici mani robotiche ad 1-2 gradi di libertà, controllate dai segnali mioelettrici: solitamente, se l’amputazione è transradiale (sotto il gomito) la contrazione dei flessori e degli estensori del polso è utilizzata per controllare la chiusura o apertura della mano. Questo tipo di controllo non è sempre intuitivo, e inoltre non esiste feedback sensoriale (se non quello del rumore del motore mentre si chiude). Tra le possibilità di controllo avanzate, la ricerca internazionale si sta orientando verso soluzioni invasive, ovvero che prevedono operazioni chirurgiche, onde ottimizzare l’accoppiamento tra il sistema nervoso (dove risiede l’intenzione) e la protesi”.

Imitare il movimento della mano umana, infatti, non è una cosa semplice. “La mano umana è movimentata da 38 muscoli, e contiene circa 20 mila mecarecettori (sensori)”, specifica il dottor Cipriani. “E’ evidente che qualunque ritrovato tecnologico difficilmente permetterà di ricostruire la complessità che madre natura ci ha dato. Tuttavia, a mio avviso, non è importante replicare in tutto e per tutto le caratteristiche della mano; ciò che conta è replicare le funzionalità, ovvero le capacità di compiere quelle azioni che sono necessarie nella vita quotidiana (afferrare oggetti, usare le dita, e perché no, gesticolare). Se noi ingegneri riusciamo a far questo con 3-4 motori, e un’architettura intelligente, l’obiettivo è raggiunto”.

Le prossime tappe di MY-HAND

E’ a questo che lavorano i ricercatori del Sant’Anna di Pisa impegnati nel progetto MY-HAND: “Cercheremo di realizzare una protesi più funzionale (ovvero dotata di più movimenti) che l’amputato transradiale potrà controllare in maniera intuitiva: tutto questo senza ricorrere a metodi invasivi, ma cercando di rendere più intelligente l’interfaccia e gli algoritmi di controllo”.

Le tempistiche? Cipriani è ottimista: “I progetti FIRB (Futuro in Ricerca) sono per loro natura ambiziosi: noi vogliamo rivoluzionare il settore delle protesi, realizzando dei prototipi avanzati, che possano essere il più velocemente possibile trasferiti al mercato. Le pubblicazioni scientifiche sono importanti, ma con questo progetto puntiamo principalmente a realizzare brevetti e generare economia”.

Presto, quindi, la mano robotica del Sant’Anna sarà realtà: “Questo progetto dura tre anni. Se sapremo sfruttare appieno l’occasione che ci viene data, possiamo costruire con le nostre ‘mani’ il nostro futuro”. Un futuro che tuttavia, per Christian Cipriani, come per tutti i ricercatori, resta incerto: “Un ricercatore non può avere progetti per il futuro in Italia. Se il Paese mi vorrà, bene. Altrimenti, non avrò problemi a fare le valigie”.