Mani bioniche con intelligenza artificiale: come funzionano e cosa possono fare

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Le mani bioniche con intelligenza artificiale stanno facendo un enorme passo avanti Per quanto riguarda le protesi tradizionali: non si tratta più solo di muovere meccanicamente le dita, ma di recuperare qualcosa di molto simile alla naturale destrezza di una mano umana, con meno sforzo mentale e più sicurezza nella vita di tutti i giorni.

Cosa c'è di veramente rivoluzionario in questa nuova generazione di protesi Combinano sensori avanzati, Modelli di intelligenza artificialeStrutture robotiche rigide e morbide e sistemi di controllo uomo-macchina condivisi, in modo che la mano "pensi" una parte del movimento mentre l'utente continua a decidere cosa fare in ogni momento.

Dalle prime protesi alle mani bioniche intelligenti

L'idea di sostituire un arto perso ha una lunga storiaAnche nell'antichità esistevano braccia e mani protesiche, come la famosa "Mano di Capua", risalente al 300 a.C. circa, realizzata in ferro, bronzo e legno. Si ritiene che appartenesse a un soldato romano che la usò per reggere lo scudo dopo aver perso parte del braccio.

Per secoli le protesi sono state poco più che elementi estetici.Si trattava di semplici stampi che imitavano la forma dell'arto, ma non offrivano alcuna funzionalità reale. Il loro scopo era essenzialmente estetico, quello di "coprire" l'assenza dell'arto senza fornire alcun movimento utile.

Con i progressi medici e meccanici del XIX e XX secolo Arrivarono le prime protesi articolate, capaci di riprodurre alcuni gesti basilari grazie a meccanismi semplici. Successivamente, apparvero le protesi "robotiche" o "bioniche", dotate di motori, vari tipi di pinze e un certo grado di controllo muscolare o elettrico.

Tuttavia, anche le più moderne mani bioniche commerciali Soffrono di un limite cruciale: il loro controllo rimane complesso, poco intuitivo e mentalmente estenuante. Compiti che una persona con mani intatte esegue quasi senza pensarci – raccogliere una tazza, tenere un bicchiere di plastica, afferrare un sottile foglio di carta – rappresentano un'enorme sfida per molti utilizzatori di protesi.

Lo sforzo cognitivo è così elevato che quasi la metà degli utenti Alla fine abbandona la sua mano bionica, citando la difficoltà nel maneggiarla, i controlli innaturali e il continuo stress mentale. Il problema principale è che la maggior parte di questi dispositivi non replica accuratamente il senso del tatto o la coordinazione automatica che il cervello esegue inconsciamente.

L'approccio dell'Università dello Utah: controllo condiviso uomo-macchina

Un team del NeuroRobotics Laboratory dell'Università dello UtahGuidato da ricercatori come Marshall Trout e Jacob A. George, un team ha sviluppato un sistema di controllo condiviso che sta cambiando radicalmente questo panorama. La loro proposta, pubblicata sulla rivista Nature Communications, si basa su una mano protesica disponibile in commercio (come la mano TASKA) dotata di sensori e di un'intelligenza artificiale appositamente addestrata.

Il punto chiave di questo lavoro è la continua cooperazione tra persona e protesiL'utente indica l'intenzione generale dell'azione (afferrare, rilasciare, avvicinare, tenere...), mentre un modello di intelligenza artificiale regola autonomamente la posizione delle dita e la forza della presa con una finezza molto difficile da ottenere con il solo controllo umano diretto.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati hanno aggiunto sensori di prossimità e di pressione sulla punta delle dita della mano bionica. Questi sensori ottici sono persino in grado di "vedere" l'oggetto prima di toccarlo, stimarne la distanza e rilevare minime variazioni di contatto e pressione una volta iniziata la presa.

Tutte queste informazioni vengono inserite in un Addestrato con migliaia di posizioni di presa, il modello di intelligenza artificiale "impara" quale combinazione di apertura delle dita e forza è più adatta per ogni tipo di oggetto, in modo che quando la mano si avvicina a una tazza, un uovo o un foglio di carta, regoli automaticamente le dita nella posizione ottimale.

Allo stesso tempo, la protesi riceve segnali umani dal corpocome l'attività elettrica dei muscoli dell'avambraccio o della pelle, che indicano l'intenzione del movimento. Il sistema fonde i segnali dell'utente e le decisioni dell'IA in tempo reale per generare un controllo ibrido: la macchina non comanda da sola, né la persona deve microgestire ogni dito.

Sensori tattili e di prossimità: verso un “sesto senso” protesico

Uno dei grandi progressi di questa mano bionica alimentata dall'intelligenza artificiale risiede nelle sue punte delle dita artificiali.Progettati per imitare il tocco umano, questi dispositivi non solo misurano la pressione esercitata sulla superficie di un oggetto, ma integrano anche sensori ottici di prossimità in grado di rilevare gli oggetti prima del contatto fisico.

Grazie a questi sensori, le dita riescono a rilevare anche un batuffolo di cotone. Una volta lasciate cadere, danno la sensazione di essere praticamente prive di peso, cosa impensabile per molte protesi commerciali attuali. Questo permette di stimare la massa, il volume e la delicatezza dell'oggetto, e quindi di regolare la forza di presa con estrema precisione.

Ogni dito ha il suo sensore di prossimità che gli permette di "vedere" davanti a séCiò significa che tutte le dita lavorano in parallelo per ottenere una presa stabile. Invece di dover pensare: "Ora chiudo un po' di più l'indice, ora rilasso il pollice", l'IA calcola la posizione esatta necessaria affinché l'intera mano tenga l'oggetto senza schiacciarlo o farlo cadere.

I dati di prossimità e pressione alimentano continuamente la rete neuraleche regola il movimento delle dita in tempo reale. Se l'oggetto inizia a scivolare, i sensori lo rilevano e il sistema aumenta leggermente la pressione; se nota che si sta deformando (ad esempio, un bicchiere di plastica), riduce la forza per evitare di romperlo.

Questa integrazione sensoriale rende la mano bionica un sistema molto più autonomo. nella regolazione della presa, liberando il cervello dell'utente da una parte significativa del compito di monitoraggio costante che in precedenza doveva svolgere coscientemente.

Carico cognitivo: perché le mani bioniche affaticano così tanto il cervello

Nella nostra vita quotidiana, muovere la mano è quasi automatico.Non calcoliamo consapevolmente la posizione di ogni dito o la forza che applichiamo. Il cervello si affida a modelli interni e al senso del tatto per adattare la nostra presa, e lo fa a una velocità incredibile e inconsciamente.

Nelle protesi robotiche convenzionali questa automazione praticamente scompare.L'utente deve riflettere attentamente sul gesto da compiere, sulla forza da applicare, sul momento in cui aprire e chiudere, e spesso lo fa senza avere a disposizione informazioni tattili che lo guidino.

Il risultato è un enorme stress mentale.Comandi poco intuitivi, la necessità di ripetere gesti semplici e la sensazione che qualsiasi calo di concentrazione possa causare la rottura di un vetro o la caduta di un oggetto sul pavimento: questo scenario spiega perché così tanti utenti finiscono per abbandonare la protesi nonostante la sua tecnologia avanzata.

Il sistema proposto dal team dello Utah cerca proprio di alleviare questo carico cognitivo.Delegando la regolazione fine della presa all'intelligenza artificiale e sfruttando i sensori che simulano il tocco, l'utente può concentrarsi sull'intenzione generale del movimento (afferrare, tenere, rilasciare) anziché controllare ogni microdettaglio.

Gli autori dello studio insistono nel dire che non vogliono che la persona "lotti" con la macchina. Attraverso il controllo manuale. L'obiettivo è che l'IA agisca come un rinforzo del controllo naturale dell'utente, non come un pilota automatico che prende il controllo senza permesso. In questo modo, i desideri del paziente vengono rispettati, liberandolo al contempo da parte del carico mentale.

Risultati dei test nel mondo reale: maggiore precisione, meno sforzo

Il sistema intelligente della mano bionica è stato testato con diverse tipologie di utenti: nove persone senza amputazione (per convalidare il controllo e l'interfaccia) e quattro persone amputate con perdita dell'arto tra il gomito e il polso, ovvero con protesi dell'avambraccio.

Questi test comportavano compiti molto quotidiani ma delicatiEsempi di azioni come tenere un uovo senza romperlo, raccogliere un foglio di carta senza strapparlo, bere da una tazza, manipolare piccoli oggetti o sollevare una tazza dal manico sono tutte situazioni in cui la forza di presa e la postura devono essere controllate con precisione.

I partecipanti hanno mostrato un netto miglioramento nella sicurezza e nella precisione della presa. utilizzando il sistema di intelligenza artificiale rispetto ai metodi di controllo convenzionali, puramente umani o puramente automatizzati. Inoltre, i ricercatori hanno misurato una significativa riduzione del carico cognitivo percepito durante i compiti.

La cosa più sorprendente è che molti di questi gesti sono stati eseguiti senza un precedente addestramento intensivoIn altre parole, la combinazione di sensori e rete neurale ha fatto sì che, fin da subito, l'utente potesse utilizzare diversi stili di presa in modo più naturale, senza dover memorizzare complicati schemi di attivazione muscolare.

Nei pazienti amputati è stato osservato anche un miglioramento del cosiddetto “controllo motorio fine”.Questa capacità di eseguire movimenti precisi e coordinati con i piccoli muscoli della mano e delle dita è essenziale per attività come scrivere, manipolare utensili, allacciare vestiti o maneggiare oggetti fragili.

Una mano bionica dotata di intelligenza artificiale ha una "mente propria"?

Il comunicato stampa dell'Università dello Utah parlava di dare alla mano una "mente propria".Questa sorprendente espressione ha generato un certo dibattito filosofico e mediatico. L'idea non è che la protesi sia cosciente, ma piuttosto che abbia sufficiente autonomia per gestire autonomamente parte del movimento.

In pratica, la mano bionica riceve informazioni dall'ambiente, le elabora e agisce senza che l'utente debba monitorare ogni micro-regolazione. Dall'esterno può sembrare che "decida" da solo, ma in realtà esegue i comandi generali dell'utente in modo molto sofisticato, basandosi su ciò che ha imparato durante l'addestramento della rete neurale.

Alcuni esperti di neuroscienze cognitive, come Tamar MakinHanno dimostrato che la relazione tra cervello e protesi è più complessa di quanto si pensasse in precedenza. I loro studi di neuroimaging suggeriscono che le protesi non sono rappresentate nel cervello esattamente come mani o strumenti, ma piuttosto generano una propria firma neurale, una sorta di "nuova categoria".

Altri ricercatori, come Dani Clode dell'Università di CambridgeEsplorano protesi che non solo sostituiscono, ma ampliano anche le capacità, ad esempio aggiungendo un secondo pollice, sfruttando la plasticità del cervello per integrare elementi aggiuntivi nello schema corporeo senza dover imitare al 100% l'anatomia originale.

Tutto ciò solleva interessanti interrogativi su come attribuiamo la coscienza e l'agenzia a macchine e dispositivi. Oggi non abbiamo modo di dimostrare che un'IA sia cosciente, e nel caso delle protesi stiamo parlando più di sistemi di controllo sensomotorio molto sofisticati che di "menti" in senso stretto.

Altre linee di innovazione: mani ibride, modularità e gamification

La mano intelligente dello Utah non è l'unico potente progresso in questo campoAltri team di ricerca, come quello della Johns Hopkins University, stanno lavorando su mani robotiche ibride che combinano strutture rigide e morbide per imitare meglio l'anatomia umana e manipolare oggetti sia delicati che pesanti.

Queste mani ibride in genere incorporano una struttura interna stampata in 3D Realizzata con polimeri simili alla gomma e giunti flessibili, la protesi si adatta meglio a forme irregolari, diverse consistenze e pressioni variabili, garantendo una presa molto più versatile.

Incorporano inoltre diversi strati di sensori tattili ispirati alla pelle umana.in grado di rilevare il contatto, le variazioni di pressione e lo scivolamento. Questa "pelle elettronica" consente alla mano di percepire se un oggetto inizia a scivolare e di aumentare automaticamente la forza per impedirne la caduta a terra.

Tutto ciò è completato da sistemi di controllo basati sui segnali muscolari.dove i muscoli dell'avambraccio inviano comandi alle dita artificiali, e l'intelligenza artificiale e gli algoritmi di apprendimento automatico traducono questi segnali in movimenti naturali. Il "cervello" della protesi interpreta se qualcosa è duro o morbido, caldo o freddo, stabile o sul punto di scivolare.

Nei test con oggetti di uso quotidiano: animali di peluche, spugne, bottiglie, ananas o bicchieri di plastica—, alcune di queste mani hanno raggiunto percentuali di successo prossime al 100% nel manipolare oggetti senza deformarli o romperli. Un esperimento particolarmente esemplificativo consisteva nel sollevare un sottile bicchiere di plastica pieno d'acqua usando solo tre dita, regolando la pressione con notevole precisione.

Nel frattempo, aziende come Open Bionics si sono concentrate su soluzioni orientate all'utente, come la linea Hero Arm, che offre mani bioniche completamente wireless, resistenti all'acqua e personalizzabili, progettate per integrarsi nella vita quotidiana di bambini, adolescenti e adulti in modo molto più confortevole.

Queste protesi sono controllate da elettrodi EMG wireless (MyoPods) Posizionati sul moncone o sull'avambraccio, rilevano l'attività muscolare e la traducono in movimenti delle dita bioniche. Essendo wireless, consentono di staccare fisicamente la mano dal corpo e di ricollegarla, e persino di agganciarla ad accessori sportivi utilizzando lo stesso sistema di ancoraggio standard.

Anche la componente emotiva e motivazionale è fondamentaleAlcune startup hanno sviluppato mani modulari e relativamente economiche, progettate principalmente per i bambini, che crescono con loro: i pezzi possono essere sostituiti con altri più grandi man mano che il corpo del bambino cambia, riducendo il costo del rinnovo completo delle protesi ogni pochi anni.

Affinché imparare ad usare la protesi non sia un calvarioSono stati creati ambienti di realtà virtuale come VREHAB, in cui i bambini esercitano i movimenti con la loro mano bionica attraverso giochi come "arrampicarsi sugli edifici come un supereroe". Man mano che migliorano, guadagnano punti e i terapisti possono monitorare i loro progressi da remoto.

L'estetica personalizzabile aiuta inoltre l'utente a percepire la protesi come propria.Grazie alla stampa 3D, sono ora disponibili design ispirati ai supereroi, stili futuristici o finiture che richiamano la moda giovanile. Questo trasforma la mano bionica in qualcosa di più di un semplice dispositivo medico, rendendola anche una dichiarazione di identità.

Verso il controllo del pensiero e il tocco "di ritorno" al cervello

Guardando al prossimo futuro, i team di ricerca più all'avanguardia Hanno in programma di combinare queste mani intelligenti con interfacce neurali impiantate, in modo che la protesi possa essere controllata direttamente dall'attività cerebrale, anziché basarsi esclusivamente sui segnali muscolari superficiali.

L'obiettivo è che la mano bionica risponda quasi altrettanto rapidamente e naturalmente. come una mano biologica, riducendo ulteriormente il carico cognitivo. Se l'utente pensa di chiudere la mano, la protesi dovrebbe avviare il movimento senza la necessità di una contrazione muscolare deliberata o di schemi appresi.

Allo stesso tempo, si sta lavorando per ripristinare il senso del tatto nel sistema nervoso. Dall'utente: i sensori di pressione e di prossimità della protesi potrebbero inviare segnali codificati che si traducono in sensazioni di contatto, consistenza o forza percepite nel cervello, avvicinandosi al vero feedback sensoriale.

Ricercatori come Jacob A. George sottolineano che questa linea di ricerca fa parte di una visione più ampia. migliorare la qualità della vita delle persone con amputazioni, integrando protesi intelligenti, interfacce neurali e sistemi sensoriali avanzati in un ecosistema coerente.

Sebbene ci siano ancora anni di sviluppo e sperimentazioni cliniche da fareI risultati attuali dimostrano che è già possibile che compiti semplici come bere da un bicchiere di plastica smettano di essere una sfida estenuante e gradualmente diventino naturali come prima dell'amputazione.

Tutto fa pensare che le mani bioniche dotate di intelligenza artificiale non siano più fantascienza. per diventare strumenti pratici che riducono lo sforzo mentale, ripristinano le capacità motorie fini e ampliano le possibilità di interazione con l'ambiente, dal tenere in mano una tazza o un uovo in sicurezza all'abbracciare qualcuno senza paura di fargli male.