Le mani umane sono sistemi straordinariamente complessi. Lo scheletro fornisce una struttura stabile, i muscoli si adattano a pesi diversi e la pelle, con i suoi sensori di tatto, pressione e temperatura, fornisce un feedback immediato sull'oggetto che stiamo toccando. Le articolazioni flessibili ci permettono di eseguire azioni precise come la digitazione o l'uso di un controller di gioco senza alcuno sforzo cosciente.

Un team di ricercatori della Johns Hopkins University è riuscito a ricreare queste caratteristiche in una mano robotica protesica avanzata. Al centro della mano c'è uno scheletro stampato in 3D. Ogni dito comprende tre articolazioni indipendenti in silicone azionate dalla pressione dell'aria. Un rivestimento a tre strati di "pelle elettronica" sulla punta delle dita consente alla mano di misurare in tempo reale la forza di presa richiesta. La mano viene controllata rilevando i segnali elettrici dei soli muscoli dell'avambraccio.

Negli esperimenti condotti, i partecipanti sani hanno usato la mano per raccogliere vari oggetti: da giocattoli morbidi e spugne per piatti, che ha afferrato delicatamente, a pesanti bottiglie d'acqua di metallo e ananas spinosi, dove ha regolato la sua forza di presa di conseguenza. In tutti i casi, la mano è riuscita a sollevare gli oggetti senza farli cadere o causare danni.

L'obiettivo principale del progetto era quello di creare una mano protesica basata sulle capacità fisiche e sensoriali della mano umana, una protesi più naturale che funzionasse e si sentisse come un arto perso.

Evoluzione della protesi

Le mani protesiche hanno subito uno sviluppo significativo nel corso della storia. Una delle prime mani protesiche, realizzata in metallo nel Medioevo, comprendeva articolazioni che potevano essere mosse passivamente con l'aiuto dell'altra mano.

Oggi la tecnologia della robotica morbida sta rivoluzionando il settore. A differenza dei materiali rigidi e inflessibili, le mani realizzate con materiali morbidi possono maneggiare oggetti delicati senza distorcerli o schiacciarli. I sensori integrati per la pressione e la temperatura le rendono più simili all'uomo grazie al feedback sensoriale.

Tuttavia, le mani robotiche morbide hanno uno svantaggio significativo: non possono generare in modo costante la stessa forza necessaria per sollevare oggetti pesanti. Anche con più articolazioni e un palmo dinamico, le mani robotiche morbide faticano a identificare le diverse texture rispetto alle loro controparti rigide. Inoltre, sono relativamente deboli: le mani robotiche morbide esistenti possono sollevare solo circa 2,8 libbre.

Le mani umane, invece, combinano uno scheletro rigido con tessuti molli - muscoli e tendini - in grado di allungarsi, ruotare e contrarsi. I sensori di pressione nella nostra pelle forniscono un feedback immediato: stiamo premendo su un giocattolo morbido, tenendo una tazza di caffè scivolosa o azionando un dispositivo elettronico?

Per questo motivo le protesi attuali combinano scheletri e "muscoli" artificiali.

Ad esempio, il braccio LUKE disponibile in commercio è dotato di uno scheletro in metallo e plastica che gli conferisce forza e stabilità. Le punte delle dita contengono materiali morbidi che migliorano la destrezza. La protesi è in grado di afferrare gli oggetti utilizzando diversi input, ad esempio i segnali elettrici dei muscoli o un pedale che consente di passare da un livello di presa all'altro. Tuttavia, la mano è ancora prevalentemente rigida, con una mobilità limitata. Il pollice e l'indice possono piegarsi separatamente, ma il resto delle dita si muove insieme.

Un altro problema è il feedback. Le dita umane usano il tatto per calibrare la presa. Ciascuno dei tre strati della pelle codifica sensazioni diverse attraverso vari recettori biologici. Lo strato più esterno percepisce il tocco leggero e le vibrazioni lente, come i capelli che sfiorano la mano. Gli strati più profondi rilevano la pressione: la consistenza e il peso di un oggetto pesante, ad esempio.

Nel 2018, il team di ricerca ha sviluppato una pelle elettronica ispirata alla pelle umana. Il materiale, chiamato E-dermis, rilevava le consistenze e le trasmetteva ai nervi rimanenti nel braccio di un amputato attraverso una leggera stimolazione elettrica. La pelle utilizzava sensori piezoresistivi, per cui la pressione cambiava il modo in cui i sensori conducevano l'elettricità. I polpastrelli protesici rivestiti con questi sensori hanno permesso a un amputato dell'arto superiore di identificare varie sensazioni, tra cui la pressione.

I ricercatori ne spiegano l'importanza con un esempio quotidiano: quando una persona tiene in mano una tazza di caffè, come fa a sapere che sta per farla cadere? Il palmo della mano e la punta delle dita inviano al cervello segnali che indicano che la tazzina sta scivolando. Il sistema del team è influenzato dal sistema nervoso: simula i recettori tattili della mano per produrre segnali simili a quelli nervosi, in modo che il "cervello" della protesi (il suo computer) capisca se qualcosa è caldo o freddo, morbido o duro, o se scivola dalla presa.

La tecnologia dietro la nuova mano

Il nuovo design incorpora una pelle elettronica in una mano ibrida che imita una mano umana.

Il pollice ha due articolazioni in silicone e le dita ne hanno tre. Ogni articolazione può flettersi in modo indipendente. Le articolazioni si collegano a uno scheletro rigido stampato in 3D e sono azionate da un sistema pneumatico.

Rispetto alle protesi fatte solo di componenti morbidi, lo scheletro aggiunge forza e può sostenere pesi maggiori. I polpastrelli della mano sono ricoperti da chiazze di E-dermis delle dimensioni di un'unghia. Ogni dito si piega naturalmente, ripiegandosi sul palmo o allungandosi verso l'esterno.

La mano è controllata da segnali elettrici provenienti dai muscoli dell'avambraccio dell'utente. Questi dispositivi, chiamati protesi mioelettriche, si collegano alle terminazioni nervose vive sopra il sito di amputazione. Quando la persona pensa di muovere la mano, un microprocessore traduce i segnali nervosi in comandi di movimento.

Una serie di esperimenti con volontari sani ha dimostrato la destrezza della mano. I partecipanti hanno indossato un manicotto sull'avambraccio per catturare i segnali elettrici nelle loro braccia - simili a quelli usati dagli amputati - e trasmetterli alla mano robotica.

Con un addestramento minimo, i volontari sono stati in grado di afferrare oggetti di dimensioni, peso e consistenza diversi. La mano ha raccolto delicatamente una spugna senza schiacciarla e ha maneggiato vari frutti - mela, arancia, clementina - senza causare danni. La protesi si è dimostrata in grado di sollevare anche oggetti più pesanti, come una piccola statua di pietra e una bottiglia d'acqua in metallo.

Ma l'esempio più impressionante, secondo i ricercatori, è stato quando la mano ha tenuto un fragile bicchiere di plastica pieno d'acqua usando solo tre dita. La mano non ha distorto il bicchiere e non ha versato una goccia d'acqua.

Nel complesso, la mano ha raggiunto un'impressionante percentuale di precisione del 99,7% nel maneggiare 15 diversi oggetti di uso quotidiano, regolando rapidamente la presa per evitare cadute, rovesciamenti o altri incidenti.

È importante notare che il dispositivo non è ancora stato testato su persone che hanno perso una mano e che ci sono ancora aree di miglioramento. L'aggiunta di una struttura simile a un tendine tra le dita artificiali potrebbe migliorarne la stabilità. L'imitazione del movimento della mano potrebbe migliorare ulteriormente la flessibilità. L'aggiunta di ulteriori sensori, come quelli di temperatura, potrebbe avvicinare ulteriormente la mano ingegnerizzata alle capacità della mano umana.

Migliorare la destrezza delle mani protesiche è essenziale per le protesi di prossima generazione. Le future mani robotiche dovranno integrarsi perfettamente nella vita quotidiana e affrontare tutte le varietà che dobbiamo affrontare. Ecco perché un robot ibrido, progettato come una mano umana, è così prezioso: combina strutture morbide e rigide, proprio come la nostra pelle, i tessuti e le ossa.

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