In-vivo actuation of compliant dielectric elastomer artificial muscles via a peripheral nerve interface

Immaginate un mondo in cui il cablaggio del vostro stesso corpo potesse controllare direttamente un minuscolo muscolo sintetico che avete piantato dentro di voi. Questa non è fantascienza; è la frontiera della "bioelettronica flessibile", un campo che sta cercando di colmare il divario tra la nostra biologia morbida e spugnosa e il mondo rigido e duro delle macchine. Per anni, gli scienziati sono stati bravissimi a costruire sensori in grado di ascoltare i nostri nervi, decodificando i sussurri elettrici che dicono alle nostre dita di muoversi o ai nostri occhi di battere le ciglia. Ma rendere le macchine capaci di rispondere ai nostri tessuti — spingendo, tirando o stringendo effettivamente con lo stesso tocco delicato di un vero muscolo — è stato un enorme mal di testa. Il problema è che la maggior parte dei muscoli artificiali è o troppo rigida (come un braccio robotico) o troppo debole per muovere la vera pelle. Per risolvere questo problema, i ricercatori stanno studiando gli "attuatori in elastomero dielettrico" (DEA). Pensate a questi come a fogli di gomma sottilissimi ed elastici che agiscono come condensatori (dispositivi che immagazzinano elettricità). Quando vengono colpiti da un'alta tensione, vengono schiacciati al centro e si espandono lateralmente, imitando il modo in cui un vero muscolo si contrae. La grande domanda è sempre stata: possiamo prendere questi delicati fogli di gomma ad alta tensione, avvolgerli in modo sicuro in una tuta impermeabile e farli danzare all'interno di un corpo vivente, controllati direttamente da un nervo?

Questo articolo afferma: "Sì, possiamo farlo", e l'hanno fatto per la primissima volta all'interno di un animale vivente. I ricercatori, guidati da Stefania Konstantinidi e dal suo team, si sono posti l'obiettivo di costruire un "muscolo artificiale" per aiutare le persone con paralisi facciale a sorridere di nuovo. La paralisi facciale è una condizione difficile in cui i nervi smettono di comunicare con i muscoli che sollevano la bocca, lasciando il volto congelato in un'espressione neutra, talvolta triste. Le soluzioni attuali spesso comportano interventi chirurgici complessi per spostare muscoli da altre parti del corpo, il che richiede molto tempo e richiede di rieducare il cervello a usarli. Il team voleva testare un approccio più morbido: un piccolo impianto elastico che si posiziona proprio sotto la pelle e attende un segnale da un nervo per sollevare l'angolo della bocca in un sorriso.

Per prima cosa, hanno dovuto progettare il muscolo. Hanno creato una versione "rinforzata" del foglio di gomma (chiamata rDEA) creando un sandwich di strati di silicone elastico tra elettrodi di carbonio morbidi e rinforzando il tutto con minuscole, resistenti fibre fatte di PET (la stessa plastica utilizzata per le bottiglie d'acqua). Queste fibre agiscono come la venatura del legno, facendo sì che il muscolo si estenda in una direzione specifica, proprio come le vere fibre muscolari. Hanno testato queste componenti su un modello realistico di un cranio umano coperto da pelle finta (silicone). Hanno scoperto che, quando accendevano la tensione, il muscolo artificiale si estendeva, sollevando l'angolo della bocca della pelle finta. Sono riusciti a estenderlo del 14% sotto carichi che sembravano simili alla vera pelle del viso, dimostrando che il concetto funzionava su un banco di prova.

Poi è arrivata la vera prova: l'inserimento in un essere vivente. Il team ha utilizzato ratti anestetizzati per questo esperimento. Hanno creato una piccola tasca sotto la pelle del ratto, sulla schiena, e hanno infilato all'interno il minuscolo muscolo artificiale completamente avvolto. Per assicurarsi che il muscolo potesse effettivamente muovere la pelle e non rimanesse semplicemente bloccato a causa dell'attrito, hanno utilizzato un gel speciale per ultrasuoni, che fungeva da lubrificante, riducendo la resistenza tra l'impianto e la pelle. Quando hanno applicato un'alta tensione di 7 kV (kilovolt), l'impianto ha spinto con successo la pelle del ratto, muovendola fino a 0,78 mm. Questo potrebbe sembrare poco, ma nel mondo dei piccoli impianti, è un salto enorme.

La parte più eccitante, tuttavia, è stata l' "interfaccia neurale". Invece di limitarsi a premere un interruttore con un telecomando, il team voleva che il sistema nervoso del ratto facesse il lavoro. Hanno attaccato una cuffia flessibile (come un minuscolo braccialetto) attorno al nervo sciatico del ratto (un nervo principale nella gamba). Quando stimolavano il nervo, il segnale elettrico viaggiava attraverso la cuffia e attivava il movimento del muscolo artificiale. Il muscolo rispondeva in tempo reale, muovendo la pelle in sincronia con il segnale nervoso. Hanno persino testato diverse velocità, da 0,5 a 3 volte al secondo, che coprono l'intervallo dei movimenti naturali come il battere delle ciglia o il sorriso. Il ritardo era minimo — solo poche decine di millisecondi — il che significa che il sistema poteva tenere il passo con la velocità di un vero sorriso.

Un trucco astuto usato dal team è stato un modo di pensare "invertito" del muscolo. I veri muscoli tirano la bocca verso l'alto quando si contraggono. Ma questo muscolo artificiale funziona nell'altro senso: quando è spento, tira naturalmente la pelle in un sorriso. Quando si accende la tensione, si estende e lascia che la pelle si rilassi nuovamente in una posizione neutra. Questo è in realtà un superpotere per i pazienti con paralisi. Se l'impianto è sempre "acceso" (mantenendo il sorriso), utilizza quasi zero energia per restare in quella posizione perché sta solo mantenendo una carica come una batteria. Ha solo bisogno di un piccolo impulso di energia per lasciare andare e rilassarsi. Questo significa che un futuro dispositivo potrebbe mantenere un viso paralizzato dall'aspetto felice e simmetrico senza esaurire una batteria.

I ricercatori sottolineano con attenzione che si tratta di uno studio "acuto" precoce, il che significa che è stato condotto su animali che sono stati addormentati e poi terminati umanamente immediatamente dopo il test. Non hanno lasciato gli impianti per settimane o mesi per vedere come il corpo reagisce nel tempo, né hanno ancora testato sugli esseri umani. Hanno anche notato che la pelle del ratto è diversa da quella del viso umano e che il gel utilizzato per ridurre l'attrito potrebbe dover essere sostituito con qualcosa di più duraturo all'interno del corpo. Tuttavia, questo studio dimostra che l'idea di base funziona: è possibile impiantare un muscolo artificiale morbido, elastico e ad alta tensione, e questo può ascoltare un nervo vivo e muovere il tessuto in sicurezza. È un passo fondamentale, che mostra come il ponte tra il nostro sistema nervoso e i muscoli sintetici morbidi sia possibile, aprendo la strada a futuri dispositivi che potrebbero un giorno restituire il sorriso a chi lo ha perduto.