Future prosthetic: towards the bionic human / Futura protesi: verso l'umano bionico

The science-fiction vision of robotic prosthetic limbs that can be controlled by the brain and provide sensory feedback is coming closer. Stuart Nathan looks at progress in the UK.

There is a recurring theme in engineering of trying to match or copy nature. It’s hardly surprising. The world and its biological systems have had millions of years to evolve solutions to the various problems posed by the environment; civilisation, by contrast, has had mere centuries. It’s always a challenge, and humanity’s successes in matching nature are relatively rare.
One of the biggest challenges comes in healthcare, where engineers literally have to match nature. Engineering some device that will have to fulfil the same function as a natural part of the body or coordinate with natural processes is about as difficult as it gets. And replacing missing or lost limbs provides some of the most striking examples of the progress we have made.
Archaeologists have found examples of replacement body parts from ancient Egypt, Greece and Rome. These range from the crude — wooden peg legs and strap-on toes — to primitive, but still impressive attempts at limbs with hinged joints. Fast forward to the 19th century, and we find fully articulated prosthetic hands, which might not have been particularly effective but certainly look impressive.

An iron artificial arm, 1560-1600, once thought to have belonged to a German knight / Un braccio artificiale di ferro, 1560-1600, un tempo ritenuto appartenente a un cavaliere tedesco
Credit: Science Museum; Wellcome Images; Creative Commons

Fictional visions

Today, our expectations have been raised – unfairly – by science fiction. The 1970s television series The Six Million Dollar Man introduced us to a triple amputee whose legs and arm were replaced with robotic limbs that gave him superhuman abilities (running at 60mph, lifting impossibly heavy weights, and seeing acutely with an implanted electronic eye); the series’ enduring legacy is in popularising the term “bionic” for a motorised prosthetic. A decade later, and we saw the right hand of Star Wars hero Luke Skywalker lopped off and replaced with a cybernetic hand that was visually and functionally indistinguishable from his natural extremity, even down to reflexes and sensation.

Luke Skywalker’s hand remains the model for a prosthetic Lucasfilm; Disney Studios / La mano di Luke Skywalker rimane il modello per una protesi

But neither the Bionic Man nor Luke are realistic reflections of what is possible with prosthetics. We still talk of “a hand like Luke Skywalker’s” when we want to evoke an advanced prosthetic, and under examination they still fall well short in functionality, no matter how impressive they look. So, 40 years after we learned to talk about bionics, what is the shape of prosthetics to come?
There are two main challenges involved in developing prosthetics. The first is in designing the mechanical limb itself. With increasing miniaturisation of electric motors and advances in computing power, this is becoming less of a challenge than the second, still-towering difficulty; finding ways to interface the machine with the amputee’s body. How can somebody who has lost a limb control a prosthetic? Is it possible to think about moving a prosthetic arm and move it with brain power alone; or to get even closer to the natural condition, and move it without barely any conscious thought? Can the sense of touch be replicated by a machine, even with today’s advanced sensors? And how about the sense which we rely on but is so fundamental that we are barely aware of it: proprioception — knowing exactly where our limbs and extremities are without having to look? How close can an amputee be returned to natural function with technology? And how is that technology likely to develop in the coming decades?

State of the art

It’s useful here to look at the present state-of-the-art. Current prosthetics have sockets that are made to fit precisely onto the amputee’s stump by a specialist prosthetician. It is absolutely vital that the fit is precise, and most prosthetics have to be adjusted regularly, which is, like all custom-making processes, expensive, time-consuming, and often inconvenient. There aren’t that many prostheticists, and travel to clinics in a problem (this is, of course, even more acute in the developing world and conflict zones, where amputation is disproportionately common and debilitating). Even the best-adjusted sockets are not ideal; the stump can slip against the surface, become sweaty and uncomfortable, and prolonged wear can be painful. This is particularly a problem for lower limb prostheses. As the body’s weight bears down onto the socket sores and resulting infections are a constant danger.
The most advanced prostheses available today do have some degree of mental control, but no sensory feedback. Control is achieved thanks to a phenomenon called myoelectricity. The remaining muscles of the stump still respond when the user “moves” the missing limb, resulting in electrical signals on the skin that can be detected by sensors installed into the socket. Although these signals may not correspond exactly to the movements the missing limb would have made, the user can learn how to make the prosthetic move in the desired fashion.
Myoelectric sensors are quite inexpensive, and the signals can be processed by off-the-shelf chips and sent to motors in the prosthetic. Companies such as Open Bionics, which The Engineer has covered, use such technology in their prosthetic arms and hands, which are designed to be open source and can be built from parts made on commercial 3D printers.
Myoelectric control depends very strongly on the fit between stump and prosthetic, because the sensors that detect the muscle signal have to be precisely placed on the correct area of the skin.
Moreover, this technology is best suited to arms and hands. Legs present a different set of problems, as the movement of knees, feet and ankles in normal walking are more autonomous and less conscious than those of hands, arms and fingers; they also have to deal with different types of stress and perform a more mechanical and supportive function. Because of this, in general the prosthetics field is sharply divided between upper and lower limb specialisms.
Advanced lower limb prosthetics tend to contain more passive systems, based around mechanical joints whose stiffness, in the most advanced cases, can be adjusted automatically during walking. Known as active joints, these often use pneumatics to help create realistic movements of knees and ankles, controlled by electronic actuators.
The most advanced lower limb available is generally accepted to be the Linx system, produced by UK company Blatchford, whose joints adjust automatically to changes in posture and which can be used even on soft and uneven surfaces.

Costing around £20,000 per unit, the Linx is, ironically, not currently available on the National Health Service in England because the equipment purchasing policy only takes into account the initial cost. In Scotland, where through-life costs are considered, the system has recently become available.
This reflects an unfortunate fact faced by lower limb amputees: because of the unbalanced gait resulting from using a prosthetic leg and the stresses this imposes on the skeleton, many amputees eventually have to undergo a replacement of the hip on the opposite side to the missing limb. The cost of this operation, post-surgical care and monitoring, will in most cases outweigh the extra cost of purchasing an expensive prosthetic leg (even though even the Linx needs regular attention from a prostheticist).

New ground or improvement?

Development of prosthetics largely divides into two camps; those working to refine current socket-based technology and those working on new systems more directly integrated into the body. The most basic requirement of the latter is some system that is grafted onto the skeleton using a process known as osseointegration. This requires developing metal systems that can be inserted into or attached to the shaft of a bone, whereupon the body’s innate healing processes grow living bone directly onto and into the metal. 3D printing and advanced coating techniques have helped develop the technology considerably in recent years, as they allow the custom manufacture of textures and shapes suited for bone tissue to grow through.
Indeed, prostheses using such technology have become relatively common, such as hip and knee implants. The important thing about these is that they remain entirely inside the body. For a replacement body part, a section of the implant would have to protrude through the skin. Breaking the skin permanently is potentially dangerous, because it could create a pathway for infection. Until relatively recently, the accepted wisdom was that very few amputees would even consider the risk of a protruding implant.

This perception may now be beginning to change, and the difference has come from a surprising source: veterinary science. Readers in the UK may be familiar with Prof Noel Fitzpatrick, an Irish vet whose clinic in Surrey has been featured in a number of TV programmes which show off his specialism in replacing lost paws of small animals with protruding prostheses. Socketed prostheses are not practical for animals, but regular viewers will be familiar with Fitzpatrick’s frequent struggles to encourage the skin of amputated limbs to adhere to his custom-made implants and the fight against resulting infections. Fitzpatrick is, however, an advocate of these “amputation prostheses” for humans, and works with surgeons on advancing the technology into human clinical practice.

The power of the brain

Kianoush Nazarpour, a bioengineer from Newcastle University, is one of those researching ways of improving existing technology. It is understandable that amputees wouldn’t want to risk implantation, especially when this technology is not fully developed, he told The Engineer. “By definition, if you need an amputation, you’ve already had a very traumatic experience, and the surgery to remove a damaged limb is even more trauma and risk. You can see why people wouldn’t want to expose themselves to another extreme procedure when they might end up with something no better — or even not as good— as something they can already have, and that’s before you consider the risk of infection.”
Nazarpour is an upper limb specialist, and all his work follows one philosophy. “We try not to overcomplicate the prosthetic itself, especially with on-board computing,” he explained. The thinking behind this is that the human brain can already outperform any kind of synthetic processor, and its potential has not been fully explored. “Think of a blind man with a walking stick,” he said. “Does that stick restore his sight? No. But the simple sensory feedback he obtains by tapping it in learned ways allows his brain to reach a relatively sophisticated impression of his surroundings; or at least the small part of his surroundings that he needs to understand to take a next step safely.”

Nazarpour’s research, in which he is working in collaboration with Imperial College London and the universities of Leeds, Keele, Essex and Southampton, is focused on giving prosthesis users sensory feedback. For this, he uses relatively simple sensors in the fingers of the prosthetic to detect temperature, pressure and shear (the last of these is detected by a sensor that responds to force lateral to the surface rather than perpendicular). Their output is translated into small electrical currents that are applied to the stump’s skin. “Everybody might feel the sensations differently,” he said. “For some people, it might feel like tickling, to others scratching. The sensor density cannot possibly be as great as that on a real hand, and the feedback isn’t as rich. But the brain can learn to interpret the sensation on the remaining flesh as though it were on the hand.”
Similar research in the blind has had some success in devices that stimulate the skin of the back in response to the output of a forward-facing camera, he added. “In these people, the sensations on the back are translated into an impression of what is in front of them through the brain’s learning process.”
Part of this, he added, results from neuroplasticity: the brain’s ability to develop new connections between neurons, effectively “rewiring” itself to develop new functions. “It’s not fast or easy,” he admitted. “People who get myoelectric limbs can typically start to learn to control them in about five minutes, because the visual impact of being able to see what your hand is reaching for, for example, is very powerful. Learning to interpret sensory input is an order of magnitude more difficult, and takes correspondingly longer.”
One intriguing direction the research has taken is in integrating machine vision into prosthetic hands. An off-the-shelf camera is attached near the wrist facing the fingers, and when the user moves the hand towards an object a processing algorithm assesses how best to position the fingers to grip the object. “It’s not a difficult algorithm to decide whether a tripod grip or forefinger and thumb would be best, so as the hand approaches the object the fingers move into the best position. All the user has to do is close the hand when it reaches the object.”
This is a transition technology, Nazarpour added, but is achievable with current equipment. “The point is that we shouldn’t be afraid to use different sorts of inputs if that will help us,” he said.
A similar system could conceivably be used on a prosthetic leg, he added; a camera monitoring ahead of the foot could manoeuvre the prosthetic foot into the best position to help the user climb steps, for example.

A USB for the body

Cambridge Bio-Augmentation Systems (CBAS) is one of the most ambitious of the new technology school of prosthetic development. CBAS is developing a standardised interface that could be surgically implanted into the stump of an arm or a leg, where it would integrate with bone and also connect directly to nerves. A robotic limb would then plug in to the interface, and also clamp securely onto the section protruding from the body to fix it into position. “Think of it as a USB port for the body,” explained co-founder Oliver Armitage.

Oliver Armitage with a mannequin sporting a prototype prosthetic interface device. Below, a schematic of CBAS’s prosthetic interface device with a robot hand /

Oliver Armitage con un manichino che sfoggia un prototipo di dispositivo di interfaccia protesica. Di seguito, uno schema del dispositivo di interfaccia protesica di CBAS con una mano robotica prosthetics

CBAS is focusing on developing the interface rather than the limb, Armitage said. The system would be open source to allow robotics specialists to develop the prostheses themselves. “It gives us the best chance of developing technology, reducing the cost and letting other experts play their role,” Armitage said.
Armitage is a bioengineer specialising in the junctions between dissimilar tissue such as bone and tendon, which has led him to work on how synthetic materials can be integrated into the body. One innovation he has been working on is a method to avoid the risk of infection. As well as the bone implant encouraging growth of natural material into metal, he is developing a blend of elastomers and other soft materials into which skin can grow, to help create a waterproof, airtight seal between skin and the protruding part of the implant. His fellow co-founder, Emil Hewage, is a specialist in neuroscience and machine learning.
While Armitage is looking at methods and materials that can connect nerves to the section of the interface inside the body, Hewage is looking at methods of interpreting the spiking electrical signals produced by nerves into forms that motor controllers can understand. This would work in two directions: signals from the motor nerves would be sent to the motors controlling the joints and fingers of the prosthetic, while the output of electronic sensors in the device would be fed into the sensory nerves.
Attaching directly to the skeleton has a variety of advantages, Armitage and Hewage said. “You have a fixed connection, so there’s no slippage and no risk of sores developing on the skin of the stump,” Armitage said. “The stresses of movement are passed directly into the skeleton, which has evolved to cope with them. Neural connection is already being done, and the technology we would use it is similar to that used for cochlear implants or deep brain stimulation in treatment of Parkinson’s disease, but connecting to the peripheral nervous system rather than in the brain.”
Another advantage, Hewage explained, is that direct attachment exploits the existing proprioception sense. “If the prosthetic moves precisely with the skeleton then it’s fulfilling what the brain naturally expects be there, and we just tap into that”
Hewage agrees that the sensory input from a synthetic system can’t match the richness of a natural extremity. “But we can send and receive information at the same speed the nervous system works in a non-amputee,” he said. “And the brain is very good at filling in gaps. We don’t perceive the world in anything like the detail that we think we do, either from our eyes or from our sense of touch. Our brains essentially use sophisticated processing tricks to fill in what our senses are not perceiving from moment to moment.”
CBAS is not a large company, having about a dozen permanent research staff and around 30 regular collaborators in clinical and academic institutions in the UK and around the world. However, the company has been undertaking preclinical trials, and Armitage says that it hopes to proceed to early clinical trials in humans in 2018. The ambition is to develop a standardised interface that would cost around £10,000 per unit, and could be incorporated into upper or lower limb implants.
The Six Million Dollar Man is still a science fiction pipe-dream. But Luke Skywalker’s hand, or at least a close approximation, might be closer than we think.

ITALIANO

La visione fantascientifica degli arti protesici robotici che possono essere controllati dal cervello e fornire un feedback sensoriale si sta avvicinando. Stuart Nathan esamina i progressi nel Regno Unito.

C'è un tema ricorrente in ingegneria nel cercare di far corrispondere o copiare la natura. Non è sorprendente. Il mondo e i suoi sistemi biologici hanno avuto milioni di anni per sviluppare soluzioni ai vari problemi posti dall'ambiente; la civiltà, al contrario, ha avuto solo secoli. È sempre una sfida, ed i successi dell'umanità nell'abbinare la natura sono relativamente rari.
Una delle maggiori sfide arriva nel settore sanitario, dove gli ingegneri devono letteralmente abbinare la natura. Progettare un dispositivo che dovrà svolgere la stessa funzione di una parte naturale del corpo o coordinarsi con i processi naturali è più difficile che mai. E sostituire gli arti mancanti o persi fornisce alcuni degli esempi più sorprendenti dei progressi che abbiamo fatto.
Gli archeologi hanno trovato esempi di parti del corpo di ricambio dall'antico Egitto, dalla Grecia e da Roma. Questi spaziano dalle rozze gambe in legno e punte strap-on ai primitivi, ma ancora impressionanti tentativi di arti con articolazioni a cerniera. Avanziamo rapidamente verso il 19 ° secolo e troviamo mani protesiche completamente articolate, che potrebbero non essere state particolarmente efficaci ma sicuramente di grande effetto.

Visioni immaginarie

Oggi, le nostre aspettative sono state sollevate - ingiustamente - dalla fantascienza. La serie televisiva degli anni '70 The Six Million Dollar Man ci introdusse in un triplo amputato con gambe e braccio sostituiti da arti robotici che gli conferivano capacità sovrumane (correre a 60 miglia all'ora, sollevare pesi incredibilmente pesanti e vedere acutamente con un occhio elettronico impiantato); L'eredità duratura della serie sta nel rendere popolare il termine "bionico" per una protesi motorizzata. Un decennio più tardi, abbiamo visto la mano destra dell'eroe di Star Wars, Luke Skywalker, rimpiazzata da una mano cibernetica visivamente e funzionalmente indistinguibile dal suo estremo naturale, fino ai riflessi e alle sensazioni.

Ma né l'Uomo Bionico né Luca sono realistici riflessi di ciò che è possibile con le protesi. Parliamo ancora di "una mano come quella di Luke Skywalker", quando vogliamo evocare una protesi avanzata, e se esaminata sono ancora ben poco efficaci, a prescindere da quanto siano impressionanti. Quindi, 40 anni dopo aver imparato a parlare di bionica, qual è la forma delle protesi a venire?
Ci sono due sfide principali coinvolte nello sviluppo di protesi. Il primo è nel progettare l'arto meccanico stesso. Con l'aumento della miniaturizzazione dei motori elettrici e dei progressi nella potenza di calcolo, questo sta diventando meno di una sfida rispetto alla seconda, ancora imponente difficoltà; trovare modi per interfacciare la macchina con il corpo dell'amputato. Come può qualcuno che ha perso un arto controllare una protesi? È possibile pensare di muovere un braccio protesico e spostarlo solo con la forza del cervello; o per avvicinarsi ancora di più alla condizione naturale e spostarla senza quasi nessun pensiero cosciente? Il senso del tatto può essere replicato da una macchina, anche con i sensori avanzati di oggi? E che dire del senso su cui ci basiamo, ma è così fondamentale che ne siamo a malapena consapevoli: la propriocezione - sapere esattamente dove sono le nostre membra e le nostre estremità senza dover guardare? Quanto vicino può essere restituito un amputato alla funzione naturale con la tecnologia? E come si svilupperà questa tecnologia nei prossimi decenni?
All'avanguardia

È utile qui guardare lo stato dell'arte attuale. Le protesi attuali hanno prese che sono fatte per adattarsi precisamente al ceppo dell' amputato da uno specialista in protesi. È assolutamente fondamentale che l'adattamento sia preciso e che la maggior parte delle protesi debba essere regolata regolarmente, il che è, come tutti i processi di produzione, costoso, dispendioso in termini di tempo e spesso non conveniente. Non ci sono molti protesisti e si recano in cliniche per un problema (questo è, naturalmente, ancora più acuto nel mondo in via di sviluppo e nelle zone di conflitto, dove l'amputazione è sproporzionatamente comune e debilitante). Anche le prese migliori non sono ideali; il moncone può scivolare contro la superficie, diventare sudato e scomodo e l'usura prolungata può essere dolorosa. Questo è particolarmente un problema per le protesi degli arti inferiori. Poiché il peso corporeo si appoggia alle piaghe da presa e le infezioni risultanti sono un pericolo costante.
Le protesi più avanzate oggi disponibili hanno un certo grado di controllo mentale, ma nessun feedback sensoriale. Il controllo è ottenuto grazie a un fenomeno chiamato myoelectricity. I muscoli rimanenti del moncone rispondono ancora quando l'utente "muove" l'arto mancante, producendo segnali elettrici sulla pelle che possono essere rilevati dai sensori installati nella presa. Sebbene questi segnali potrebbero non corrispondere esattamente ai movimenti che l'arto mancante avrebbe compiuto, l'utente può imparare come eseguire la mossa protesica nel modo desiderato.
I sensori mioelettrici sono piuttosto economici e i segnali possono essere elaborati da chip standard e inviati a motori nella protesi. Aziende come Open Bionics, di cui The Engineer ha parlato, usano questa tecnologia nelle loro braccia e mani protesiche, progettate per essere open source e possono essere costruite da parti realizzate su stampanti 3D commerciali.
Il controllo mioelettrico dipende molto fortemente dall'adattabilità tra moncone e protesi, poiché i sensori che rilevano il segnale muscolare devono essere posizionati con precisione sulla zona corretta della pelle.
Inoltre, questa tecnologia è più adatta a braccia e mani. Le gambe presentano una serie diversa di problemi, poiché il movimento delle ginocchia, dei piedi e delle caviglie nel camminare normale è più autonomo e meno consapevole di quello delle mani, delle braccia e delle dita; devono anche affrontare diversi tipi di stress e svolgere una funzione più meccanica e di supporto. Per questo motivo, in generale, il campo delle protesi è nettamente diviso tra gli specialismi degli arti superiori e inferiori.
Le protesi avanzate degli arti inferiori tendono a contenere più sistemi passivi, basati su articolazioni meccaniche la cui rigidità, nei casi più avanzati, può essere regolata automaticamente durante la deambulazione. Conosciuti come articolazioni attive, spesso usano la pneumatica per aiutare a creare movimenti realistici di ginocchia e caviglie, controllati da attuatori elettronici.
Il più avanzato arto inferiore disponibile è generalmente accettato come il sistema Linx, prodotto dalla società britannica Blatchford, le cui articolazioni si adattano automaticamente ai cambiamenti di postura e che possono essere utilizzati anche su superfici morbide e irregolari.

Con un costo di circa £ 20.000 per unità, il Linx è, per ironia della sorte, attualmente non disponibile presso il National Health Service in Inghilterra perché la politica di acquisto delle attrezzature tiene conto solo del costo iniziale. In Scozia, dove sono considerati i costi della vita, il sistema è diventato di recente disponibile.
Ciò riflette uno sfortunato fatto di amputati degli arti inferiori: a causa dell'andatura squilibrata risultante dall'uso di una protesi e degli stress che questo impone sullo scheletro, molti amputati devono subire una sostituzione dell'anca sul lato opposto rispetto all'arto mancante . Il costo di questa operazione, la cura post-chirurgica e il monitoraggio, nella maggior parte dei casi superano il costo extra di acquisto di una costosa protesi della gamba (anche se anche la Linx ha bisogno di un'attenzione regolare da parte di un protesista).
Nuovo terreno o miglioramento?

Lo sviluppo delle protesi si divide in gran parte in due campi; coloro che lavorano per perfezionare l'attuale tecnologia basata su socket e coloro che lavorano su nuovi sistemi più direttamente integrati nel corpo. Il requisito fondamentale di quest'ultimo è un sistema che viene innestato sullo scheletro utilizzando un processo noto come osteointegrazione. Ciò richiede lo sviluppo di sistemi metallici che possono essere inseriti o fissati all'albero di un osso, dopodiché i processi di guarigione innati del corpo fanno crescere l'osso vivo direttamente sul metallo. La stampa 3D e le tecniche di rivestimento avanzate hanno contribuito a sviluppare considerevolmente la tecnologia negli ultimi anni, poiché consentono la produzione personalizzata di trame e forme adatte per il tessuto osseo.
In effetti, le protesi che utilizzano tale tecnologia sono diventate relativamente comuni, come le protesi dell'anca e del ginocchio. La cosa importante di questi è che rimangono interamente dentro il corpo. Per una parte del corpo di ricambio, una sezione dell'impianto dovrebbe sporgere attraverso la pelle. Rompere la pelle in modo permanente è potenzialmente pericoloso, perché potrebbe creare un percorso per l'infezione. Fino a tempi relativamente recenti, la saggezza accettata era che pochissimi amputati considerassero anche il rischio di un impianto sporgente.
Questa percezione potrebbe ora cominciare a cambiare, e la differenza è venuta da una fonte sorprendente: la scienza veterinaria. I lettori nel Regno Unito possono avere familiarità con il Prof Noel Fitzpatrick, un veterinario irlandese la cui clinica nel Surrey è stata descritta in una serie di programmi televisivi che mostrano la sua specializzazione nel rimpiazzare le zampe perdute di piccoli animali con protesi sporgenti. Le protesi incapsulate non sono pratiche per gli animali, ma i normali spettatori avranno familiarità con le frequenti lotte di Fitzpatrick per incoraggiare la pelle degli arti amputati ad aderire ai suoi impianti personalizzati e alla lotta contro le infezioni risultanti. Fitzpatrick è, tuttavia, un sostenitore di queste "protesi di amputazione" per gli esseri umani e lavora con i chirurghi per far progredire la tecnologia nella pratica clinica umana.

Il potere del cervello

Kianoush Nazarpour, un bioingegnere dell'università di Newcastle, è uno di quelli alla ricerca di modi per migliorare la tecnologia esistente. È comprensibile che gli amputati non vogliano rischiare l'impianto, soprattutto quando questa tecnologia non è completamente sviluppata, ha detto all'Ingegnere. "Per definizione, se hai bisogno di un'amputazione, hai già avuto un'esperienza molto traumatica e l'intervento chirurgico per rimuovere un arto danneggiato è ancora più traumatico e rischioso. Puoi capire perché le persone non vorrebbero esporsi ad un'altra procedura estrema quando potrebbero finire con qualcosa di meglio o addirittura non buono, come qualcosa che possono già avere, e questo prima di considerare il rischio di infezione. "
Nazarpour è uno specialista dell'arto superiore e tutto il suo lavoro segue una filosofia. "Cerchiamo di non complicare eccessivamente la protesi stessa, specialmente con l'elaborazione a bordo", ha spiegato. Il pensiero alla base di questo è che il cervello umano può già sovraperformare qualsiasi tipo di processore sintetico e il suo potenziale non è stato completamente esplorato. "Pensa a un cieco con un bastone da passeggio," disse. "Questo bastone ripristina la sua vista? No. Ma il semplice feedback sensoriale che ottiene toccandolo in modi appresi consente al suo cervello di ottenere un'impressione relativamente sofisticata di ciò che lo circonda; o almeno la piccola parte del suo ambiente che ha bisogno di capire per fare un passo successivo in sicurezza. "

La ricerca di Nazarpour, in cui sta lavorando in collaborazione con l'Imperial College di Londra e le università di Leeds, Keele, Essex e Southampton, si concentra sul fornire feedback sensoriali agli utenti di protesi. Per questo, utilizza sensori relativamente semplici nelle dita della protesi per rilevare la temperatura, la pressione e il taglio (l'ultimo di questi viene rilevato da un sensore che risponde alla forza laterale rispetto alla superficie piuttosto che perpendicolare). La loro produzione è tradotta in piccole correnti elettriche che vengono applicate alla pelle del moncone. "Ognuno potrebbe sentire le sensazioni in modo diverso", ha detto. "Per alcune persone, potrebbe sembrare un solletico, altri graffiare. La densità del sensore non può essere così grande come quella di una mano reale, e il feedback non è così ricco. Ma il cervello può imparare a interpretare la sensazione sulla carne rimanente come se fosse sulla mano. "
Una ricerca simile nei ciechi ha avuto un certo successo in dispositivi che stimolano la pelle della schiena in risposta all'emissione di una fotocamera frontale, ha aggiunto. "In queste persone, le sensazioni sulla schiena si traducono in un'impressione di ciò che è di fronte a loro attraverso il processo di apprendimento del cervello."
In parte, ha aggiunto, i risultati della neuroplasticità: la capacità del cervello di sviluppare nuove connessioni tra i neuroni, "ricablando" in modo efficace per sviluppare nuove funzioni. "Non è veloce o facile", ha ammesso. "Le persone che ottengono arti mioelettrici possono in genere iniziare a imparare a controllarle in circa cinque minuti, perché l'impatto visivo di essere in grado di vedere per che cosa sta raggiungendo la mano, per esempio, è molto potente. Imparare a interpretare l'input sensoriale è un ordine di grandezza più difficile e richiede corrispondentemente più tempo ".
Una direzione intrigante della ricerca è quella di integrare la visione artificiale nelle mani protesiche. Una fotocamera pronta all'uso è attaccata vicino al polso e rivolta verso le dita e quando l'utente sposta la mano verso un oggetto, un algoritmo di elaborazione valuta il modo migliore per posizionare le dita per afferrare l'oggetto. "Non è un algoritmo difficile decidere se il grip del treppiede o l'indice e il pollice siano i migliori, così come la mano si avvicina all'oggetto, le dita si muovono nella posizione migliore. Tutto ciò che l'utente deve fare è chiudere la mano quando raggiunge l'oggetto. "
Questa è una tecnologia di transizione, ha aggiunto Nazarpour, ma è realizzabile con le attrezzature attuali. "Il punto è che non dovremmo avere paura di utilizzare diversi tipi di input se questo ci aiuterà", ha detto.
Un sistema simile potrebbe teoricamente essere utilizzato su una gamba protesica, ha aggiunto; un monitoraggio della telecamera davanti al piede potrebbe manovrare il piede protesico nella posizione migliore per aiutare l'utente a salire le scale, per esempio.

Una USB per il corpo

Cambridge Bio-Augmentation Systems (CBAS) è una delle più ambiziose della nuova scuola tecnologica di sviluppo protesico. CBAS sta sviluppando un'interfaccia standardizzata che potrebbe essere impiantata chirurgicamente nel moncone di un braccio o di una gamba, dove si integrerebbe con l'osso e si collegherebbe direttamente ai nervi. Un arto robotico si collegherebbe quindi all'interfaccia e si fisserebbe saldamente sulla sezione che fuoriesce dal corpo per fissarlo in posizione. "Pensala come una porta USB per il corpo", ha spiegato il co-fondatore Oliver Armitage.

Il CBAS si sta concentrando sullo sviluppo dell'interfaccia piuttosto che sull'arto, ha detto Armitage. Il sistema sarebbe open source per consentire agli specialisti della robotica di sviluppare le protesi stesse. "Ci dà la migliore possibilità di sviluppare tecnologia, ridurre i costi e lasciare che altri esperti facciano il loro ruolo", ha detto Armitage.
Armitage è un bioingegnere specializzato nelle giunzioni tra tessuti dissimili come ossa e tendini, che lo ha portato a lavorare su come i materiali sintetici possano essere integrati nel corpo. Un'innovazione su cui ha lavorato è un metodo per evitare il rischio di infezione. Oltre all'impianto osseo che incoraggia la crescita di materiale naturale in metallo, sta sviluppando una miscela di elastomeri e altri materiali morbidi in cui la pelle può crescere, per contribuire a creare una tenuta impermeabile e a tenuta d'aria tra la pelle e la parte sporgente dell'impianto. Il suo collega co-fondatore, Emil Hewage, è uno specialista in neuroscienza e apprendimento automatico.
Mentre Armitage sta esaminando metodi e materiali che possono connettere i nervi alla sezione dell'interfaccia all'interno del corpo, Hewage sta esaminando i metodi per interpretare i segnali elettrici di punta prodotti dai nervi in forme che i controllori del motore possano comprendere. Ciò funzionerebbe in due direzioni: i segnali dai nervi motori verrebbero inviati ai motori che controllano le articolazioni e le dita della protesi, mentre l'uscita dei sensori elettronici nel dispositivo verrebbe immessa nei nervi sensoriali.
Attaccare direttamente allo scheletro ha una serie di vantaggi, ha detto Armitage e Hewage. "Hai una connessione fissa, quindi non ci sono slittamenti e nessun rischio di sviluppare piaghe sulla pelle del moncone", ha detto Armitage. "Gli stress del movimento sono passati direttamente nello scheletro, che si è evoluto per far fronte a loro. La connessione neurale è già in corso e la tecnologia che utilizzeremo è simile a quella utilizzata per gli impianti cocleari o la stimolazione cerebrale profonda nel trattamento del morbo di Parkinson, ma si collega al sistema nervoso periferico piuttosto che al cervello ".
Un altro vantaggio, ha spiegato Hewage, è che l'attaccamento diretto sfrutta il senso propriocettivo esistente. "Se la protesi si muove esattamente con lo scheletro, allora sta realizzando ciò che il cervello si aspetta naturalmente essere lì, e noi ci limitiamo a quello"
Hewage concorda sul fatto che l'input sensoriale di un sistema sintetico non può eguagliare la ricchezza di un'estremità naturale. "Ma possiamo inviare e ricevere informazioni alla stessa velocità del sistema nervoso in un non-amputato", ha detto. "E il cervello è molto bravo a colmare le lacune. Non percepiamo il mondo in qualcosa come il dettaglio che pensiamo di fare, sia dai nostri occhi che dal nostro senso del tatto. I nostri cervelli usano essenzialmente sofisticati trucchi di elaborazione per riempire ciò che i nostri sensi non percepiscono di momento in momento. "
CBAS non è una grande azienda, con circa una dozzina di personale di ricerca permanente e circa 30 collaboratori regolari in istituzioni cliniche e accademiche nel Regno Unito e in tutto il mondo. Tuttavia, la società ha intrapreso studi preclinici, e Armitage afferma che spera di procedere ai primi test clinici sugli esseri umani nel 2018. L'ambizione è di sviluppare un'interfaccia standardizzata che costerebbe circa £ 10.000 per unità e potrebbe essere incorporata nella parte superiore o impianti degli arti inferiori.
Il Six Million Dollar Man è ancora un sogno da fantascienza. Ma la mano di Luke Skywalker, o almeno una stretta approssimazione, potrebbe essere più vicina di quanto pensiamo.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/future-prosthetic/?cmpid=tenews_4717379&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E

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