“Siamo stati in grado di mostrare il primo controllo completamente neurale della camminata bionica”, ha affermato Hyunkyun Chang, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato al MIT.
Le protesi bioniche più avanzate si basano su comandi robotici preprogrammati anziché sui segnali cerebrali dell’utente. Le tecnologie robotiche avanzate possono percepire l’ambiente ed eseguire ripetutamente movimenti delle gambe predefiniti per aiutare una persona a spostarsi su quel tipo di terreno.
Ma molti di questi robot funzionano meglio su superfici irregolari e hanno difficoltà a superare ostacoli comuni come dossi o pozzanghere. Quando la protesi è in movimento, soprattutto in risposta a improvvisi cambiamenti del terreno, la persona che la indossa spesso ha poca voce in capitolo nella regolazione della protesi.
“Quando cammino, un algoritmo invia comandi a un motore, quindi mi sembra di camminare, ma non è così”, ha detto Hugh Herr, il ricercatore principale dello studio e professore di arti e scienze dei media al MIT. Un pioniere nel campo della biomeccatronica, un campo che unisce la biologia all’elettronica e alla meccanica. Le gambe di Herr sono state amputate sotto il ginocchio a causa del congelamento diversi anni fa e utilizza protesi robotiche avanzate.
“Ci sono prove crescenti [showing] “Quando colleghi il cervello a una protesi meccatronica, si verifica una metafora in cui una persona vede l’arto protesico come un’estensione naturale del proprio corpo”, ha detto Herr.
Gli autori hanno lavorato con 14 partecipanti allo studio, metà dei quali sono stati sottoposti ad amputazione sotto il ginocchio attraverso un approccio chiamato interfaccia mioneurale agonista-antagonista (AMI), mentre l’altra metà è stata sottoposta ad amputazione tradizionale.
“La cosa veramente interessante è il modo in cui sta migliorando l’innovazione chirurgica con l’innovazione tecnologica”, ha affermato Conor Walsh, professore presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences specializzato nello sviluppo di robot assistivi indossabili e non è stato coinvolto nello studio.
L’amputazione AMI è stata sviluppata per affrontare i limiti della tradizionale chirurgia di amputazione, che taglia le inserzioni muscolari critiche nel sito di amputazione.
I movimenti sono resi possibili muovendosi in coppie di muscoli. Un muscolo – noto come agonista – si contrae per muovere un’articolazione e l’altro – noto come antagonista – si allunga in risposta. Ad esempio, durante un curl bicipite, il muscolo bicipite è l’agonista perché si contrae per sollevare l’avambraccio, mentre il muscolo tricipite è l’antagonista perché attiva il movimento.
Quando l’intervento chirurgico taglia le coppie muscolari recise, la capacità del paziente di percepire le contrazioni muscolari post-operatorie viene compromessa, compromettendo così la sua capacità di percepire accuratamente e bene dove si trova la sua protesi nello spazio.
Al contrario, la procedura AMI riattacca i muscoli dell’articolazione rimanente.
“Questo studio fa parte di un movimento verso le tecnologie sintetiche di prossima generazione”, ha affermato Eric Rombokas, assistente professore di ingegneria meccanica presso l’Università di Washington, che non è stato coinvolto nello studio.
Un’amputazione sotto il ginocchio è chiamata procedura AMI Amputazione di Ewing Nel 2016, è diventata la prima persona dopo Jim Ewing a ricevere la procedura.
I pazienti sottoposti ad amputazioni di Ewing hanno sperimentato meno deperimento muscolare negli arti sopravvissuti e meno dolore fantasma, la sensazione di provare disagio in un arto che non esiste più.
I ricercatori hanno dotato tutti i partecipanti di una nuova articolazione bionica, che consiste in una caviglia artificiale, un dispositivo che misura il movimento muscolare e l’attività elettrica tramite elettrodi posizionati sulla superficie della pelle.
Il cervello invia impulsi elettrici ai muscoli, facendoli contrarre. Le contrazioni generano i propri segnali elettrici, che vengono rilevati da elettrodi e inviati a minuscoli computer all’interno della protesi. I computer convertono questi segnali elettrici in energia e movimento per il satellite.
La partecipante allo studio Amy Pietrafitta, che ha ricevuto un’amputazione Ewing dopo gravi ustioni, ha affermato che l’arto bionico le ha dato la capacità di puntare entrambe le gambe ed eseguire nuovamente movimenti di danza.
“È molto reale avere questo tipo di flessibilità”, ha detto Pietrafitta. “Sembrava che fosse tutto lì.”
Grazie ai sensi muscolari potenziati, i partecipanti con amputazioni Ewing sono stati in grado di utilizzare i loro arti bionici per camminare più velocemente e con un’andatura più naturale rispetto agli amputati tradizionali.
Quando una persona deve deviare dai normali schemi di camminata, potrebbe dover lavorare di più per spostarsi.
“Questo dispendio energetico… fa lavorare di più il nostro cuore e i nostri polmoni… e può portare alla graduale distruzione delle articolazioni dell’anca o della parte inferiore della colonna vertebrale”, afferma Matthew J., chirurgo plastico ricostruttivo presso Brigham and Women’s Ospedale. Ha detto Cardi. ed è stato il primo medico a eseguire la procedura AMI.
I pazienti che hanno ricevuto un’amputazione Ewing e una nuova protesi sono stati in grado di percorrere rampe e scale con facilità. Regolarono costantemente i piedi per spingersi giù dalle scale e assorbire lo shock della discesa.
I ricercatori sperano di avere la nuova protesi disponibile in commercio entro i prossimi cinque anni.
“Stiamo iniziando a intravedere questo futuro glorificato in cui una persona può perdere gran parte del proprio corpo e avere la tecnologia per ricostruire quell’aspetto del proprio corpo alla piena funzionalità”, ha detto Herr.
