Salute e malattia
La robotica sta diventando sempre più avanzata. Un'applicazione entusiasmante è in medicina, nello specifico nello sviluppo di arti robotici sostitutivi. La sostituzione di un arto implica l'uso di una protesi per rimpiazzare una parte del corpo amputata o persa per infortunio o malattia. Con i progressi tecnologici e una migliore comprensione di come il cervello controlla il movimento, le sostituzioni degli arti stanno diventando più sofisticate e realistiche.
L'obiettivo della sostituzione robotica degli arti è sviluppare protesi che sembrino, agiscano e si sentano come l'arto che sostituiscono. Non basta più sostituire l'arto: deve funzionare come un arto completamente operativo. Ciò implica non solo costruire arti artificiali altamente specializzati, ma anche capire come il cervello controlla il movimento. La sfida è come collegare l'arto robotico in modo che il paziente ne controlli il movimento, proprio come un arto naturale. Attualmente, la maggior parte degli arti artificiali è controllata da contrazioni muscolari iniziate dal paziente, non da segnali neuronali dal cervello, come avviene nel movimento naturale.
Ogni movimento del corpo inizia con un pensiero. Non appena nasce un pensiero come "devo fare un passo avanti" o "devo prendere la tazza di caffè", il cervello innesca una serie di reazioni complesse per realizzare quel movimento. Deve capire quali muscoli contrarre e rilassare e quanta forza serve. Con velocità fulminea, il cervello invia segnali attraverso il midollo spinale e lungo le vie nervose per coordinare e reclutare i muscoli necessari. Quando si perde un arto, si perdono anche i nervi che collegavano quell'arto ai segnali del cervello.
Le protesi comuni oggi non collegano l'arto artificiale al sistema nervoso. La protesi è composta dall'arto artificiale e cavi che si collegano a una zona del corpo dove i muscoli funzionano. Ad esempio, una protesi di mano si collega ai muscoli della spalla. Il paziente deve contrarre i muscoli della spalla in modi molto precisi per tirare i cavi, che a loro volta muovono la protesi. Esistono anche arti protesici a propulsione esterna: l'arto è mosso da un motore a batteria e interruttori devono essere azionati per muoverlo. Entrambi richiedono molto tempo e addestramento da parte del paziente e lasciano molto a desiderare in termini di aspetto realistico e replicazione del movimento naturale. Da qui la necessità di arti robotici che permettano al cervello e all'arto artificiale di interagire direttamente.
Per far funzionare correttamente gli arti robotici, gli scienziati devono capire come far interagire i segnali del cervello con l'arto artificiale. L'obiettivo è sviluppare sistemi computerizzati che interpretino i segnali cerebrali e li traducano all'arto robotico affinché risponda di conseguenza. È quasi come sviluppare un sistema nervoso artificiale. La scienza si sta avvicinando con l'uso di chip programmabili per controllare una protesi. La protesi contenente il chip monitora il paziente mentre si muove. Queste informazioni vengono valutate da un programma computerizzato esterno. Successivamente, la protesi viene programmata per imitare i movimenti naturali del paziente. Il chip funge da cervello e reagisce automaticamente a cambiamenti di velocità e direzione. Queste informazioni vengono preprogrammate nella protesi, così l'arto artificiale si adatta meglio al modo unico del paziente di muoversi nelle attività quotidiane.
Per quanto entusiasmanti siano gli arti programmabili, hanno ancora limitazioni. Permettono solo un piccolo numero (solitamente dieci) di modalità programmabili. Funzionano a batteria e devono essere ricaricati; si sta lavorando per arrivare a 50 ore di autonomia. Qui sta la promessa della sostituzione robotica degli arti: "cablare" direttamente l'arto artificiale al sistema nervoso in modo che il cervello ne controlli ogni movimento naturalmente. Prima un elettrodo deve essere impiantato chirurgicamente nel cervello. Poi i computer nella protesi sarebbero programmati per interpretare i segnali cerebrali che avviano il movimento. Inoltre, il computer nell'arto artificiale deve rimandare informazioni al cervello mentre il movimento avviene, per permettere aggiustamenti. Gli scienziati stanno sperimentando i migliori punti per attaccare gli elettrodi e migliorare i segnali computerizzati tra protesi e cervello. Siamo ancora lontani dalla realtà sull'uomo, ma la ricerca su ratti e scimmie ha avuto successo.
Procedure chirurgiche