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Protesi e mani bioniche: se non assomigliano a mani umane funzionano meglio

Un nuovo studio pubblicato su iScience e condotto dal laboratorio di Neuroscienze Applicate e Tecnologie della Fondazione Santa Lucia IRCCS di Roma, in collaborazione con Sapienza Università di Roma e l’Università di Roma Tor Vergata, ha dimostrato che una protesi non antropomorfa è più funzionale e più facilmente accolta rispetto ad una protesi che mima l’estetica umana.

Se una mano bionica non sembra umana, l’utente la riesce ad usare meglio, migliorando anche la sua capacità di identificarla come propria (processo noto come incorporazione o embodiment). Questo è il risultato dello studio, pubblicato sulla rivista scientifica iScience e condotto dal laboratorio di Neuroscienze Applicate e Tecnologie della Fondazione Santa Lucia IRCCS di Roma, in collaborazione con Sapienza Università di Roma e Università di Roma Tor Vergata.

Viviana Betti, Alessandro Moscatelli e Matteo Marucci (che indossa il visore)

Protesi e mani bioniche iScience — Protesi e mani bioniche: se non assomigliano a mani umane funzionano meglio; i risultati di uno studio pubblicato su iScience

I ricercatori hanno utilizzato la realtà virtuale per valutare la destrezza nell’esecuzione di un compito motorio svolto usando due diversi effettori: una mano virtuale che riproduce le sembianze reali di un arto e una protesi bionica simile ad un paio di pinzette. Lo studio, condotto su individui sani, ha dimostrato come i partecipanti siano più precisi e più bravi a svolgere il compito richiesto, che consisteva nello scoppiare pizzicandole delle bolle virtuali di un colore specifico.

L’équipe di ricerca, ha anche proseguito l’esperimento misurando il livello di incorporazione: la persona riceveva una stimolazione tattile su un dito della mano reale e, contemporaneamente, osservava uno stimolo visivo che compariva su un dito virtuale che poteva essere o meno corrispondente al dito reale.

Quando la posizione dello stimolo tattile e di quello visivo coincideva, i partecipanti erano più veloci nell’identificare il dito sul quale avevano sentito la vibrazione. In caso contrario c’era un aumento dei tempi di risposta dovuto alla discrepanza di localizzazione tra i due stimoli.

“Questo avviene quando il cervello elabora come proprio l’effttore che vede nella realtà virtuale. Se l’embodiment è avvenuto il soggetto impiega più tempo per rispondere perché più esposto agli effetti dell’incongruenza tra stimolo tattile e visivo” afferma Ottavia Maddaluno, una delle ricercatrici.

I risultati dell’esperimento hanno mostrato che i partecipanti incorporano meglio (o allo stesso livello) la mano bionica rispetto a quella antropomorfa. Per spiegare la maggiore incorporazione dell’arto bionico potremmo ricorrere alla teoria dell’“uncanny valley” o “valle perturbante”.

“Secondo questa teoria – prosegue Maddaluno – quando i robot umanoidi raggiungono un grado di somiglianza troppo alto con un vero essere umano, il cervello riconosce l’umanoide come strano ed estraneo, complicando il processo di riconoscimento”.

Lo stimolo tattile dell’esperimento, progettato per permettere una esperienza vivida e chiaramente identificabile, è stato messo a punto presso il gruppo di Fisiologia del Dipartimento di Medicina dei sistemi dell’Università di Roma Tor Vergata.

“Per somministrare uno stimolo tattile che sia preciso e sincrono con gli stimoli visivi – spiega Alessandro Moscatelli dell’Università di Roma Tor Vergata – sono stati appositamente realizzati dispositivi indossabili (wearable haptics): all’interno del dispositivo sono stati posizionati degli attuatori di tipo “voice coil” che hanno consentito di modulare l’ampiezza e la frequenza dello stimolo vibrotattile”.

Secondo le conclusioni dell’equipe di ricerca, il cervello trova più semplice utilizzare la pinza bionica rispetto alla mano virtuale. Nel caso della mano, infatti, il cervello si trova a confrontarsi con un oggetto che produce una stimolazione molto complessa, mentre la pinza bionica è funzionalmente simile ad una mano e può riprodurne i movimenti (ad esempio la chiusura e apertura di indice e pollice) in modo più semplice. La maggiore semplicità si traduce in una minore necessità di elaborazione da parte del cervello e, quindi, in maggiore destrezza e facilità d’uso. Questa evidenza potrà aprire la strada a nuove concezioni nello sviluppo di protesi robotiche.

“Nell’ambito della neuroriabilitazione stiamo già applicando le conoscenze di questo studio per migliorare le protesi oggi disponibili per persone che, a causa di un’amputazione non hanno un arto”,

spiega Viviana Betti del Dipartimento di Psicologia di Sapienza Università di Roma e direttrice del laboratorio di ricerca presso IRCCS Fondazione Santa Lucia.

“Le evidenze con i pazienti che stiamo conducendo confermano quanto emerso su persone sane con la realtà virtuale e saranno oggetto di future pubblicazioni.”

Lo studio è stato finanziato dallo European Research Council progetto HANDmade (G.A. n. 759651) attribuito a Viviana Betti.

Riferimenti bibliografici:

Rewiring the evolution of the human hand: How the embodiment of a virtual bionic tool improves behavior

M. Marucci, O. Maddaluno, C. P. Ryan, C. Perciballi, S. Vasta, S. Ciotti, A. Moscatelli, V. Betti

iScience – doi.org/10.1016/j.isci.2024.109937

Testo e immagini dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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SkinSource: riprodurre il senso del tatto grazie alla propagazione dell’energia lungo mano e braccio
Lo studio dell’Università di Pisa e dell’Università della California Santa Barbara premiato all’IEEE Haptics Symposium, una delle conferenze più prestigiose di Aptica

Le vibrazioni trasmesse attraverso mano e braccio quando tocchiamo un oggetto giocano un ruolo essenziale nel farci provare una determinata sensazione tattile. Ma misurarle e costruirne dei modelli è estremamente complesso. Uno studio dell’Università di Pisa e dell’Università della California Santa Barbara ha messo a punto SkinSource, uno strumento open source in grado di misurare e modellare le vibrazioni della pelle lungo gli arti superiori in risposta a un insieme molto ampio di stimoli tattili localizzati. Le potenziali applicazioni vanno dal design di nuove potessi e mani robotiche fino alla realtà aumentata tattile. Il toolbox ha destato un grande entusiasmo nella comunità di studiosi del senso del tatto, che include discipline molto diverse tra loro, come le neuroscienze, la medicina e l’ingegneria, ed è stato premiato con il Best Paper Award all’IEEE Haptics Symposium, una delle maggiori conferenze internazionali del settore dell’Aptica, che si è svolto nei giorni scorsi a Long Beach, California.

“Il senso del tatto – spiega Matteo Bianchi, docente di robotica al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa – è il più complesso e diffuso in tutto il corpo. Le nostre sensazioni tattili dipendono non solo dai recettori locali della pelle, ma anche da diversi altri fattori, come le vibrazioni che si diffondono attraverso la mano e il braccio nel momento in cui tocchiamo un oggetto. Il tatto è un senso chiave sia per la propriocezione – ovvero la capacità di percepire il nostro corpo come collocato nello spazio in una certa posizione – sia per l’esterocezione, ovvero la capacità di capire le proprietà fisiche degli oggetti, quali la rugosità e la rigidezza. È con il tatto che sappiamo se siamo in una posizione stabile, se stiamo tenendo un bicchiere di carta abbastanza dritto da non rovesciarlo, ma abbastanza delicatamente da non stritolarlo. Senza il tatto non potremmo camminare, stare seduti, tenere una posizione in modo consapevole, interagire, esplorare e modificare il mondo che ci circonda.

Per questo, la capacità di modellare le dinamiche del nostro corpo nel momento in cui tocchiamo un oggetto, per poterle riprodurre per esempio in una protesi, o in una mano robotica, o in un’applicazione di realtà aumentata o virtuale, assume una grande rilevanza.

Il nostro dispositivo è in grado di predire l’estensione e l’intensità delle vibrazioni che si trasmettono lungo gli arti superiori a seguito di differenti tipi di stimoli di forza localizzati, in modo accurato. Il toolbox è open-source, ed è quindi a disposizione di tutta la comunità scientifica che ne vuole fare uso, liberamente scaricabile da questo link https://doi.org/10.5281/zenodo.10547601. Proprio questo aspetto, data la complessità e la difficoltà di riprodurre in modo affidabili le sensazioni tattili, è stato accolto con grande entusiasmo”.

SkinSource infatti, oltre ad essere uno strumento per lo studio delle basi meccaniche della percezione tattile, può essere utilizzato per la progettazione e design di interfacce per la restituzione sensoriale in protesi degli arti superiori e in mani robotiche teleoperate in cui è fondamentale avere un ritorno tattile, così come nella chirurgia robotica e in molte applicazioni che fanno uso della realtà aumentata. Gli ingegneri pisani, infatti, all’interno del FoReLab, il laboratorio del dipartimento di ingegneria dell’informazione dedicato al 5.0, stanno mettendo a punto dispositivi di realtà aumentata che integrano la percezione visiva e tattile.

“Con SkinSource – conclude Bianchi – possiamo sfruttare lo studio e la modellazione della propagazione dell’energia meccanica lungo la pelle per costruire sistemi indossabili distribuiti, per garantire un’esperienza immersiva che integri stimoli visivi e tattili. Il sistema può operare accanto alle interfacce per realtà aumentata a cui stiamo lavorando nel laboratorio FoReLab, che consentono di vedere o toccare oggetti reali modificandone la percezione visiva o tattile mediante stimoli artificiali.”

Testo e foto dall’Unità Comunicazione Istituzionale dell’Università di Pisa.

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