Sistema basato su magnetismo aiuta le persone a controllare la robotica indossabile

Un team di ricercatori del MIT ha sviluppato un modo innovativo per monitorare i movimenti muscolari. Secondo il team, questo nuovo sistema renderà più facile per le persone controllare gli arti prostetici e altri dispositivi robotici indossabili.

Sono stati pubblicati due articoli di ricerca sulla rivista Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Il sistema basato su magnetismo si è rivelato altamente preciso e sicuro e può tracciare la lunghezza dei muscoli durante il movimento. Il team ha condotto studi su animali e ha dimostrato che la strategia potrebbe essere utilizzata per aiutare le persone con dispositivi prostetici a controllarli in modo più naturale.

Cameron Taylor è uno scienziato di ricerca del MIT e co-autore principale della ricerca.

“I recenti risultati dimostrano che questo strumento può essere utilizzato al di fuori del laboratorio per tracciare il movimento muscolare durante l’attività naturale e suggeriscono anche che gli impianti magnetici sono stabili e biocompatibili e non causano disagio”, afferma Taylor.

Misurazione dei muscoli durante i movimenti naturali

La ricerca ha mostrato che possono misurare con precisione le lunghezze dei muscoli polpacci dei tacchini mentre eseguono vari movimenti naturali come correre e saltare. Hanno misurato questi con piccole perle magnetiche, che non hanno causato infiammazione o altri effetti avversi dopo essere state impiantate nel muscolo.

Hugh Herr è professore di arti e scienze dei media, co-direttore del K. Lisa Yang Center for Bionics del MIT e membro associato dell’Istituto di ricerca del cervello McGovern del MIT.

“Sono molto entusiasta del potenziale clinico di questa nuova tecnologia per migliorare il controllo e l’efficacia degli arti bionici per le persone con perdita di arti”, afferma Herr.

Gli attuali arti prostetici alimentati sono solitamente controllati con un approccio chiamato elettromiografia di superficie (EMG). In questo approccio, gli elettrodi attaccati alla superficie della pelle o impiantati nel muscolo residuo dell’arto amputato possono misurare i segnali elettrici dei muscoli di un individuo. Queste misurazioni vengono quindi alimentate nella protesi per aiutare la persona a controllarla.

L’approccio EMG ha alcune limitazioni. In primo luogo, non tiene conto di alcuna informazione sulla lunghezza o sulla velocità del muscolo, entrambe le quali potrebbero rendere i movimenti prostetici più precisi.

Strategia di magnetomicrometria

La strategia del team del MIT si basa su un approccio chiamato magnetomicrometria, che sfrutta i campi magnetici permanenti che circondano le piccole perle impiantate in un muscolo. Un piccolo sensore è attaccato all’esterno del corpo e il sistema può tracciare le distanze tra i due magneti. I magneti si avvicinano quando un muscolo si contrae e si allontanano quando si flette.

I ricercatori hanno dimostrato che questo sistema può misurare con precisione i movimenti naturali in un ambiente non di laboratorio. Ciò è stato ottenuto creando prima un percorso di ostacoli di rampe che i tacchini potevano salire. Hanno anche costruito scatole per i tacchini per saltare su e giù. Con il sensore magnetico, il team ha potuto tracciare i movimenti muscolari durante le attività e ha concluso che il sistema può calcolare le lunghezze muscolari in meno di un millisecondo.

Il nuovo sistema è molto più efficiente dell’approccio tradizionale che si basa su grandi apparecchiature a raggi X.

“Siamo in grado di fornire la funzionalità di tracciamento della lunghezza muscolare dell’attrezzatura a raggi X delle dimensioni di una stanza utilizzando un pacchetto molto più piccolo e portatile e siamo in grado di raccogliere i dati in modo continuo invece di essere limitati ai 10 secondi di burst che la fluoromicrometria è limitata a”, afferma Taylor.

Nessun effetto negativo o dannoso

In uno studio secondario relativo alla ricerca, il team ha scoperto che i magneti non generavano cicatrici tessutali, infiammazione o altri effetti dannosi. Ha anche suggerito che gli impianti magnetici non causavano disagio per i tacchini.

Gli impianti sono stati dimostrati essere stabili per otto mesi e non si sono spostati l’uno verso l’altro finché sono stati posizionati ad almeno tre centimetri di distanza.

“I magneti non richiedono una fonte di alimentazione esterna e dopo l’impianto nel muscolo possono mantenere la piena forza del loro campo magnetico per tutta la vita del paziente”, afferma Taylor.

I ricercatori cercheranno ora di ottenere l’approvazione della FDA per testare il sistema sugli esseri umani.

“Il posto in cui questa tecnologia soddisfa un bisogno è nella comunicazione di queste lunghezze e velocità muscolari a un robot indossabile, in modo che il robot possa funzionare in modo coerente con l’essere umano”, afferma Taylor. “Speriamo che la magnetomicrometria possa consentire a una persona di controllare un robot indossabile con lo stesso livello di comfort e la stessa facilità con cui qualcuno controllerebbe il proprio arto”.