Perché la soft robotics potrebbe essere importante per la medicina

La scienza dei robot morbidi ha popolato i laboratori di “creature” che potrebbero aiutarci nella diagnosi delle malattie, negli interventi chirurgici e nel trattamento di molti disturbi. Ecco le caratteristiche che li rendono così speciali.

Otto tentacoli si muovono sul fondale marino, si allungano, si deformano e il loro moto è sempre fluido, continuo. Potrebbe sembrare un polpo in cerca di un granchio, invece si tratta di un cosiddetto “soft robot”, letteralmente, un robot morbido. Negli ultimi anni i ricercatori hanno cominciato a realizzare degli automi più flessibili e dai movimenti sempre più morbidi, capaci di simulare l’ondeggiare del pesce, il ritrarsi della proboscide di un elefante o l’annodarsi di una pianta rampicante. Anni luce dai tradizionali androidi che si muovono a passo militare.

Oggi di queste ricerche si occupano diversi centri specializzati in giro per il mondo, tra i quali anche due punte di diamante italiane come l’IIT, l’Istituto italiano di tecnologia nella sede di Pontedera, e la Scuola superiore Sant’Anna di Pisa. I ricercatori plasmano forme e materiali nuovi per provare a sviluppare robot che possano esplorare gli ambienti naturali in modo sempre più preciso. In medicina questo potrebbe tradursi (tra le altre cose) nella possibilità di ispezionare con un simil-tentacolo le delicate strutture interne di un corpo umano durante un intervento chirurgico. Ecco le peculiarità di queste nuove “creature”.

Un’idea che arriva dalle profondità marine

I robot convenzionali sono macchine caratterizzate da giunture rigide, almeno quanto quelle del nostro corpo (pensiamo all’articolazione del ginocchio, o al nostro polso). I movimenti di questi robot “classici” sono di fatto catene di movimenti, basti pensare, per fare un esempio, ai temibili cani robot della ditta Boston Dynamics. Il corpo di un “soft robot”, invece, si distingue per la capacità di deformarsi interamente: una caratteristica che ne amplifica le possibilità di impiego, ma allo stesso tempo rende molto più complicato controllarne il movimento rispetto ai robot tradizionali.

Il corpo morbido per eccellenza, nonché una delle prime fonti di ispirazione degli scienziati del settore della soft robotics, viene dal mondo naturale ed è quello del polpo. Proprio alle forme del tentacolo si sono ispirati, ormai alcuni anni fa, diversi ricercatori del Sant’Anna di Pisa e dell’IIT, nel corso di un progetto portato avanti in collaborazione anche con altri istituti di ricerca chiamato “Octopus”. I ricercatori hanno sviluppato un vero e proprio braccio robotico del tutto simile a un tentacolo, dotato di ventose, sensibile all’ambiente e capace di muoversi e di afferrare oggetti. Scienziati dell’Harvard University nel 2016 misero a punto un’idea simile, realizzando un piccolo polpo artificiale, chiamato poi Octobot, interamente morbido e riempito di acqua ossigenata. All’interno dell’organismo, un microcircuito digitale era in grado di innescare una reazione chimica tale da alterare lo stato dell’acqua ossigenata e far muovere i tentacoli. Entrambi i progetti pongono le basi per un eventuale futuro sviluppo di sonde morbide, capaci di aggirarsi tra i delicati organi umani nel corso di un intervento chirurgico o un esame endoscopico.

Gli scienziati hanno preso ispirazione dagli animali marini nella realizzazione di molti di questi robot morbidi, che stanno dimostrando di potersela cavare in quel tipo di ambiente meglio degli automi dotati delle classiche giunture. Un ulteriore esempio è SoFi, un pesce di gomma in silicone e plastiche flessibili, progettato dal Massachusetts Institute of Technology di Boston e animato da un cuore-batteria di litio. Questo cuore artificiale aziona un motore che pompa acqua in due pistoni in modo alternativo, determinando l’ondeggiare della coda, e permettendo a SoFi di muoversi senza vincoli nelle tre dimensioni. Per ora il robot raggiunge profondità di soli 15 metri, ma potrebbe già essere uno strumento utile a visitare e indagare in modo non invasivo alcuni ambienti protetti. Più a fondo (oltre i 2000 metri) può andare invece il robot arpione realizzato con una stampante 3D, sempre dal MIT, e pensato per essere “ultragentile con i fragili organismi marini”, come si legge su Science Robotics. Anche se questo robot non è stato pensato per l’utilizzo medico, in un futuro che possiamo oggi solo immaginare, arpioni e pinze simili, ma in miniatura, potrebbero essere capaci di introdursi nel nostro corpo e manipolare micro-oggetti nella cosiddetta chirurgia microinvasiva.

Di che “pasta” sono fatti i soft robot

Molto del potenziale di questa nuova generazione di robot risiede nella materia prima utilizzata. Si può trattare di polimeri flessibili, gomme, o addirittura fibre di tessuti. In molti casi i materiali stessi possiedono anche una capacità di movimento intrinseca, senza bisogno di un vero e proprio scheletro di supporto o motori che forniscano un input. Ne è un esempio il tessuto robotico sviluppato dalla Yale University di New Haven, in Connecticut, e appena descritto in un articolo pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences: una stoffa, di fatto, attraversata da una nervatura metallica che induce l’intera forma a contrarsi o rilassarsi, anche rispondendo agli stimoli dell’ambiente esterno, grazie a un circuito di sensori. Con questo tipo di tessuto robotico potrebbero essere in futuro sviluppati indumenti adattabili e intelligenti o strumenti come un laccio emostatico indossabile e attivo.

HASEL è invece un robot realizzato con un polimero flessibile, attraversato da un liquido isolante che risponde a un impulso elettrico. Messo a punto nel 2018 dal Keplinger Research Group presso la Università del Colorado a Boulder, imita la fibra muscolare: l’impulso aziona la contrazione o l’espansione del fascio, e può farlo tanto velocemente che l’oggetto è capace persino di saltare. E proprio perché imita così bene il muscolo, HASEL sembra avere le potenzialità per diventare parte, per esempio, di una protesi.

La soft robotics è una disciplina recente, e come tutte le materie giovani spesso i suoi contorni non sono ancora del tutto definiti. Capita quindi che siano inclusi tra i soft robot anche automi con componenti rigide (quelle tipiche dei robot classici) e alcune componenti soft. È questo il caso di SoftHand, progetto in corso all’IIT: in pratica una mano umanoide composta, in modo simile alla nostra mano, sia di parti rigide (lo scheletro) sia di parti morbide (i muscoli), che si spera un giorno possa essere utile per la riabilitazione motoria.

Rampicanti e prensili

È sufficiente guardare un giardino per vedere esseri senza giunture e dalle movenze soft: sono le piante. Proprio sulle piante rampicanti da quasi due anni lavorano all’IIT col progetto Growbot. Per esempio, la vite o l’edera sono capaci di appoggiarsi a un supporto e avvolgervisi attorno per proseguire la loro crescita, direzionandosi verso la luce. Come spiegano i ricercatori sulle pagine di Frontiers in Robotics and AI, replicare strutture di questo tipo potrebbe aiutare a costruire sonde endoscopiche di nuova generazione, come nel caso del tentacolo di Octopus.

Un ultimo progetto sperimentale, iniziato alla fine del 2019, sostenuto dall’Unione europea e coordinato sempre dall’IIT, si chiama “Proboscis”. Dal nome eloquente, il robot sarà ispirato alla proboscide dell’elefante. L’obiettivo è sviluppare un braccio con una pelle sensibile ma resistente al calore, adatto a raccogliere carichi di grande peso o piccoli come foglie. Se avrà successo, questo robot potrebbe diventare un aiuto nell’assistenza sanitaria, per esempio per sollevare delicatamente una persona incapace di farlo da sola.