Esoscheletri bionici per ricominciare a muoversi

Tute, stinchi e mani bioniche: la tecnologia degli esoscheletri può aiutare i pazienti con lesioni o problemi motori e la loro assistenza

Paralizzato a causa di un ictus, il giornalista francese Jean-Dominique Bauby paragonò la propria vita a quella dentro uno scafandro. Bauby era infatti cosciente in un corpo completamente immobile, tranne che per una palpebra sul cui movimento aveva mantenuto il controllo e con la quale riusciva a comunicare.

Oggi molte ricerche, tra cui quella sugli esoscheletri, o scheletri esterni, hanno fra gli obiettivi di consentire a persone nelle condizioni di Bauby di muoversi ancora o, perlomeno, di non percepirsi più come chiuse dentro uno scafandro.

L’idea di usare queste tecnologie per aiutare i pazienti con difficoltà motorie risale addirittura alla fine degli anni Sessanta, forse ispirata dalle storie di fantascienza come il fumetto Iron Man, in cui cominciavano a comparire esoscheletri. Ciò nonostante, per molto tempo lo sviluppo di queste armature bioniche è rimasto allo stadio embrionale, forse perché al di là delle possibilità tecnologiche del tempo. Solo negli ultimissimi anni alcuni dei prototipi hanno cominciato a diventare una delle frontiere della cura, tanto che esistono macchine pensate per aiutare l’intero corpo di pazienti tetraplegici, oppure per permettere a questi ultimi di godere di nuovo delle funzioni almeno di una estremità del corpo, come una mano o una gamba. O, ancora, per facilitare il percorso di riabilitazione in seguito a un incidente o di un ictus. Di seguito presentiamo una galleria di esempi di possibili applicazioni.

Quattro arti bionici

Cominciamo da Grenoble, in Francia. Qui, al centro di ricerca Clinatec del locale ospedale universitario, Thibault, un paziente tetraplegico, ha potuto toccare oggetti muovendo gli arti e camminare per 145 metri, come raccontato dai ricercatori su Lancet Neurology nel 2019. Se è riuscito a farlo, è grazie a un esoscheletro a quattro arti controllato dal suo cervello. In pratica il paziente, pensando di muoversi, ha trasmesso all’esoscheletro collegato ai suoi neuroni l’ordine di compiere un determinato movimento. Ciò è avvenuto grazie a due piastre da 64 elettrodi impiantate nel corso di un intervento chirurgico sulla cosiddetta dura madre, la più esterna delle tre meningi. Gli elettrodi sono stati in grado di percepire gli impulsi motori del cervello e di inviare un segnale, in modalità wireless, a un computer. A questo punto il computer, dotato di un sistema di intelligenza artificiale, li ha interpretati, assecondando i comandi e determinando il movimento dell’esoscheletro.

L’intero programma di ricerca è durato due anni e, prima di camminare con la tuta-esoscheletro, Thibault ha affrontato una lunga fase di addestramento. Al fine di “allenare” l’algoritmo di machine learning responsabile dell’interpretazione e dell’esecuzione dei comandi, Thibault ha potuto utilizzare un avatar che si muoveva in uno spazio virtuale visibile su uno schermo. Solo una volta conclusa questa fase, il paziente ha cominciato a muovere i propri passi in laboratorio all’interno dell’esoscheletro. Cinque mesi dopo, Thibault era in grado di muovere una mano dell’esoscheletro alla volta e di toccare oggetti. Sedici mesi più tardi poteva muovere entrambe le mani.

La memoria del movimento

Benché abbia 14 gradi di libertà, la tuta impiegata a Grenoble risulta ancora molto ingombrante: pesa 65 chili e non è del tutto autonoma, bensì legata (o meglio “appesa”) al soffitto. Più maneggevoli sono invece gli esoscheletri pensati quale aiuto nelle terapie post-ictus o nella riabilitazione dopo una lesione al midollo spinale. Spesso fasciano il bacino e le gambe, sono azionati da un motore o da una molla e sono autonomi. Il paziente li indossa e, con l’aiuto di stampelle e assistenti, si esercita a camminare e a recuperare la memoria del corpo.

Secondo uno studio i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Frontiers in Neurorobotics, dopo un ictus gli esercizi di recupero della mobilità sarebbero molto più efficaci se assistiti e guidati proprio attraverso l’uso di un esoscheletro. Ricercatori specializzati in riabilitazione, del Kessler Institute nel New Jersey, hanno provato a sottoporre, per esempio, 44 individui tra i 18 e gli 82 anni a cicli di riabilitazione, aiutando parte di loro con un esoscheletro, e sottoponendo invece gli altri alla terapia convenzionale. Alla fine dell’osservazione, chi aveva intrapreso la terapia assistita dall’esoscheletro aveva camminato due volte di più durante lo stesso tempo di esercizio. Quando il gruppo di pazienti assistiti dall’esoscheletro è tornato alla normale fisioterapia, i risultati positivi si sono mantenuti.

Gli esoscheletri minori

Gli esoscheletri possono essere anche di dimensioni più ridotte ed essere concepiti per assistere una sola regione del corpo, aiutando per esempio a svolgere un unico tipo di movimento. Alcune ricerche hanno cercato di mettere a punto esoscheletri per la motilità della mano, per esempio, mentre a Stanford è stato sviluppato un esoscheletro-caviglia, all’interno di un progetto i cui risultati sono stati pubblicati lo scorso aprile sulla rivista IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. L’esoscheletro in questione è costituito da un telaio che si allaccia sotto il ginocchio, corre lungo lo stinco ed è integrato a una scarpa da corsa. Dietro il polpaccio, un cavo collega il tallone della scarpa alla parte superiore dell’esoscheletro.

Al momento si tratta di un prototipo, non autonomo bensì collegato a due motori a terra che azionano il cavo. Grazie a un algoritmo, il cavo tira il tallone, aiutando il movimento del piede. Così, mentre i pazienti camminavano, l’algoritmo correggeva e perfezionava il movimento dell’esoscheletro. Ne è risultato che l’esoscheletro aumentava del 42 per cento la velocità del passo dei pazienti. I partecipanti al progetto sperimentale erano dieci giovani in salute, ma i ricercatori vorrebbero in futuro coinvolgere persone più anziane per sviluppare un esoscheletro che possa assisterne la camminata.

Dall’altro lato della cura

Finora abbiamo parlato di pazienti, ma all’università di Tampere, in Finlandia, hanno provato a ribaltare la prospettiva e a pensare a come queste tecnologie bioniche potessero migliorare il lavoro di chi dei pazienti si occupa: gli infermieri e le infermiere. La ricerca, che raccoglie i risultati di due studi in parallelo, è stata pubblicata sulla rivista Ergonomics in design.

Entrambi gli studi hanno impiegato un esoscheletro in grado di assistere i movimenti della schiena e, in caso di sforzi, alleviare il carico che grava su questa zona del corpo del 40-50 per cento. Nel primo ciclo di esperimenti le infermiere hanno compiuto lavoro di routine, spostando pazienti anziani dal letto alla sedia a rotelle, aiutate dall’esoscheletro. Nel secondo caso, sette infermiere hanno invece indossato l’esoscheletro al lavoro durante una settimana intera, per svolgere tutte le mansioni. I risultati? Secondo le infermiere, i benefici ci sono ma ancora non sono sufficienti a giustificare l’utilizzo degli esoscheletri. I supporti sono infatti ingombranti e c’è da migliorarne la comodità. Ma anche l’aspetto, aggiungono, per non sembrare troppo “robotiche” dinanzi ai pazienti.