Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

Quando un ictus o una grave lesione danneggia i nervi che controllano una mano, il risultato è spesso una perdita del controllo motorio fine. Il braccio può ancora muoversi, ma le dita perdono la capacità di modellarsi attorno agli oggetti, trasformando un compito semplice come prendere una tazza in una lotta impossibile. Per milioni di persone che vivono con questa condizione, il percorso standard verso il recupero prevede una terapia ripetitiva, in cui praticano il movimento della mano compromessa ripetutamente. Tuttavia, un approccio diverso ha guadagnato terreno negli ultimi anni: il mirroring bilaterale. Questo concetto si basa sulla naturale tendenza del cervello a copiare i movimenti. Se una persona muove la mano sana, il cervello spesso invia segnali simili alla mano ferita. Catturando i movimenti precisi della mano sana e costringendo meccanicamente la mano ferita a seguirli, i terapisti sperano di riallenare il cervello e ripristinare la funzione. La sfida è sempre stata costruire un dispositivo che sia abbastanza leggero da essere indossato, abbastanza forte da muovere una mano rigida e abbastanza intelligente da imitare la complessa e indipendente flessione di ogni articolazione delle dita senza appesantire l'utente.

Due ricercatori di scuola superiore, Vishnu Iyengar e Leo Sitaraman, hanno costruito un prototipo che affronta questi problemi separando la rilevazione dal movimento. Il loro sistema è composto da due parti principali: un guanto indossato sulla mano sana e un esoscheletro leggero indossato sulla mano ferita. Il guanto è dotato di piccoli sensori che misurano l'angolo delle articolazioni delle dita mentre l'utente si muove. Invece di cercare di replicare il movimento con motori attaccati direttamente alle dita, il che renderebbe la mano ingombrante e scomoda, i ricercatori hanno posizionato tutti i motori sull'avambraccio. Sottili cavi corrono dai motori dell'avambraccio, attraverso il polso, e fino alle dita, tirandole nelle posizioni corrette. Questo design mantiene la mano stessa libera da macchinari pesanti, permettendo una sensazione più naturale e una migliore comodità durante l'uso quotidiano.

L'innovazione centrale del loro lavoro risiede nel modo in cui controllano le dita. La maggior parte dei dispositivi esistenti tratta un dito come un'unica unità, piegando l'intero dito in una volta sola. Ma le dita umane sono più complesse; hanno un nocca dove il dito incontra il palmo e un'articolazione centrale che può piegarsi indipendentemente. Per imitare davvero una mano reale, un dispositivo deve controllare entrambi questi giunti separatamente. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato utilizzando un ingegnoso sistema di cavi. Per ogni dito, due cavi separati corrono dai motori dell'avambraccio al dito. Tirando un cavo, il sistema può piegare il dito alla nocca. Tirando l'altro, o tirando un cavo mentre si rilascia l'altro, il sistema può piegare l'articolazione centrale in modo indipendente. Ciò consente al dispositivo di creare forme complesse, come la presa specifica necessaria per estrarre un libro da uno scaffale, che è difficile da realizzare se le articolazioni sono costrette a muoversi insieme.

Per far funzionare questo sistema, i ricercatori hanno dovuto risolvere diversi enigmi ingegneristici. Il guanto doveva essere abbastanza accurato da catturare movimenti sottili. Lo hanno testato confrontando le letture dei sensori con la posizione reale di un dito che si muove avanti e indietro. I sensori sono stati in grado di tracciare l'angolo del dito con un errore medio di poco superiore a un grado, il che è straordinariamente preciso. Tuttavia, per rendere i dati fluidi e privi di scatti, hanno dovuto applicare un filtro digitale che mediava le letture. Ciò ha introdotto un leggero ritardo, o lag, di circa 312 millisecondi tra il movimento della mano sana e la registrazione di quel movimento. Sebbene questo ritardo sia percepibile, è sufficientemente breve da consentire al sistema di funzionare in tempo reale per molti compiti.

Il lato dell'esoscheletro del sistema ha affrontato le proprie difficoltà. I ricercatori hanno scoperto che il semplice tirare i cavi non era sufficiente per muovere una mano paralizzata e rigida con la forza necessaria. Le prime versioni del design utilizzavano elastici per aiutare a tirare le dita in posizione aperta, ma queste fasce contrastavano con i motori, sprecando energia e riducendo la forza del movimento. Alla fine hanno sostituito gli elastici con un secondo set di cavi che tirava nella direzione opposta. Questo cambiamento ha più che triplicato la forza che il dispositivo poteva esercitare, permettendogli di spingere contro la resistenza con una forza massima di circa 1,2 newton per dito. Nonostante questi miglioramenti, il dispositivo non corrispondeva perfettamente ai movimenti comandati. Quando i ricercatori chiedevano al dispositivo di piegare un dito a 90 gradi, esso raggiungeva spesso solo circa 50 o 59 gradi. Questa limitazione era causata dalla struttura fisica del dispositivo e dal leggero allungamento dei cavi, che impedivano di raggiungere l'intera gamma di movimento.

I ricercatori hanno anche testato il sistema come un'unità completa, indossando il guanto su una mano e l'esoscheletro sull'altra. Hanno scoperto che il dispositivo poteva replicare con successo una varietà di pose della mano, da una mano aperta rilassata a un pugno chiuso. Il movimento della mano ferita seguiva generalmente la mano sana, sebbene fosse costantemente in ritardo di una frazione di secondo. Quando hanno misurato quanto strettamente gli angoli delle due mani corrispondessero, la correlazione era forte per alcune articolazioni ma più debole per altre, in particolare per l'articolazione media dell'anulare. Ciò suggerisce che, sebbene il sistema funzioni, c'è ancora spazio per migliorare il modo in cui i cavi sono instradati e come il dispositivo si adatta all'anatomia unica di diversi utenti.

Uno degli aspetti più pratici del design è un semplice interruttore che consente all'utente di mettere in pausa il mirroring. In molte attività quotidiane, come aprire una bottiglia, una mano deve tenere l'oggetto fermo mentre l'altra svita il tappo. Se il dispositivo stesse sempre replicando, la mano ferita cercherebbe di copiare il movimento di torsione, rendendo il compito impossibile. Premendo l'interruttore, l'utente può bloccare la mano ferita in una posizione specifica, tenerla lì e usare la mano sana per eseguire l'altra parte del compito. Questa capacità di disaccoppiare le mani è essenziale affinché il dispositivo sia utile negli scenari del mondo reale, non solo in una clinica di terapia.

Il progetto dimostra che è possibile costruire un robot indossabile che misuri e muova due diverse articolazioni in ogni dito mantenendo tutta la macchina pesante lontana dalla mano stessa. I ricercatori hanno dimostrato che il controllo indipendente delle articolazioni delle dita è fattibile e che il sistema può generare abbastanza forza da essere utile. Tuttavia, hanno anche riconosciuto che l'attuale prototipo non è ancora perfetto. Il ritardo causato dal filtro di smoothing è più lungo dell'ideale e il dispositivo non è ancora in grado di muovere le dita attraverso l'intera gamma naturale di movimento. Le versioni future dovranno trovare modi per ridurre questo lag e aumentare la forza del movimento senza aggiungere ingombro. Per ora, il lavoro rappresenta un passo significativo in avanti, mostrando che un dispositivo a basso costo e confortevole potrebbe un giorno aiutare le persone a recuperare il controllo fine delle loro mani che hanno perso.