Controllo dei robot durante il sonno

In realtà è noto da tempo: Dondolare un bambino piccolo nella culla facilita l'addormentamento. Anche i movimenti regolari, ad esempio su un'amaca o su un treno in corsa, aiutano gli adulti ad addormentarsi. Tuttavia, sono state condotte poche ricerche per capire come funzionano esattamente questi movimenti e se possono aiutare le persone con disturbi del sonno. Robert Riener, Professore di sistemi sensomotori,ora vuole colmare questo divario. Insieme a Peter Achermann, che dirige il gruppo di ricerca sulla cronobiologia e il sonno dell'Università di Zurigo, ha sviluppato dei letti speciali con i quali vuole studiare la relazione tra movimento e sonno. Un primo letto esegue un leggero movimento a pendolo, simile a quello di una culla. Il secondo spinge la persona addormentata avanti e indietro orizzontalmente, in senso longitudinale o trasversale, oppure si alza e si abbassa a seconda delle necessità. C'è un motivo per cui i movimenti sono chiaramente separati, spiega Riener: "Se mescoliamo i tre schemi, siamo meno in grado di analizzare la connessione. E i soggetti del test si ammalano più rapidamente".

Morbido e silenzioso

I letti sono attualmente in fase di test. I soggetti del laboratorio del sonno sono dotati di sensori di misurazione che forniscono informazioni sulla profondità del sonno. Oltre alle onde cerebrali, i ricercatori misurano anche la respirazione e la frequenza cardiaca. Vogliono utilizzare le registrazioni per scoprire come i movimenti influenzano il comportamento e la qualità del sonno. In una fase successiva, il letto sarà controllato direttamente dai dati fisiologici. Non appena il dispositivo si renderà conto, in base alle onde cerebrali e alla frequenza cardiaca, che la persona sottoposta al test sta dormendo meno profondamente, cercherà di impedirle di svegliarsi compiendo movimenti appropriati. Se questo avrà successo, potrebbe aiutare le persone con disturbi del sonno a raggiungere un sonno più profondo e riposante. Riener immagina anche altre applicazioni: "? possibile che questi movimenti durante il sonno abbiano un effetto positivo anche sulle persone che soffrono di disturbi mentali".

Per Riener, che come ingegnere si occupa da molti anni dello sviluppo di apparecchiature mediche, si sono presentate anche diverse questioni tecniche. La costruzione del letto, ad esempio, è stata una sfida da non sottovalutare. I motori devono muovere il letto - che insieme al soggetto da testare pesa più di 100 chilogrammi - senza la minima scossa e devono funzionare praticamente in silenzio, in modo che il sonno non sia disturbato da questi effetti collaterali. Sarà ancora più impegnativo accoppiare la meccanica con la fisiologia umana. "La profondità del sonno non è un parametro che può essere semplicemente fissato a un valore preciso", afferma Riener.

La personalizzazione mirata dell'individuo gioca un ruolo centrale anche in un altro progetto dell'ETH: insieme al suo gruppo, sta sviluppando una protesi attiva con cui gli amputati di gamba possono eseguire movimenti modellati sulla gamba sana. "La maggior parte delle protesi sono organi sostitutivi passivi", spiega Riener. "Il nostro modello è diverso: il ginocchio artificiale è dotato di un motore che muove la gamba artificiale".

L'articolazione è inoltre dotata di molle meccaniche che sostengono il motore e proteggono da scosse improvvise, in modo che i movimenti possano essere modellati ancora più fedelmente sui movimenti naturali. La protesi attiva rende più facile per i pazienti salire le scale o camminare su una superficie inclinata. La protesi può fare anche qualcos'altro: è dotata di sensori di pressione, in modo che il paziente possa sentire la pressione esercitata sul pavimento Chi siamo, tramite elettrodi attaccati alla schiena.

L'uomo deve mantenere il controllo

Secondo Riener, la sfida più grande di questo dispositivo è anche l'interazione con la persona. "La protesi dovrebbe riconoscere automaticamente le intenzioni del paziente, in modo che quest'ultimo possa usarla davvero come una gamba sana". Al momento, il controllo funziona tramite sensori applicati agli indumenti della gamba sana. Grazie a questi sensori, la protesi riconosce il movimento che il paziente vuole eseguire. Questo adattamento automatico è possibile solo perché i ricercatori utilizzano algoritmi di controllo sofisticati che controllano il motore in modo rapido e flessibile. ? fondamentale che la persona mantenga il controllo. "La protesi deve adattarsi alla persona, non viceversa, altrimenti non sarà accettata dal paziente", afferma Riener.

Anche la protesi di ginocchio è attualmente in fase di sperimentazione. "Il nostro dispositivo è in realtà destinato a un gruppo limitato di pazienti, soprattutto anziani", spiega Riener. I pazienti giovani e forti hanno molte meno difficoltà a salire le scale e quindi non hanno necessariamente bisogno di un dispositivo del genere". L'esempio della protesi attiva, in particolare, dimostra che per sviluppare con successo tali dispositivi è necessario che gli ingegneri lavorino a stretto contatto con medici, assistenti e pazienti. "Come ingegnere, devo sapere quali sono i problemi che i pazienti devono affrontare nella vita di tutti i giorni e dove c'è bisogno di un supporto meccanico", dice Riener. "Altrimenti sviluppiamo dispositivi di cui nessuno ha bisogno".

All'interfaccia tra le scienze ingegneristiche e la medicina, Roger Gassert ha anche Professore assistente di tecnologia della riabilitazione,i suoi progetti. Come Riener, che ha sviluppato dispositivi innovativi per i pazienti colpiti da ictus con i robot di movimento "Armin" e "Lokomat", anche Gassert sta lavorando a nuovi approcci alla riabilitazione. In uno dei suoi progetti, si concentra deliberatamente sulla mano. "Esistono già diversi dispositivi che supportano i movimenti di spalle, gomiti e polsi", spiega l'ingegnere. "Questo sarebbe particolarmente importante per i pazienti colpiti da ictus, che di solito hanno difficoltà ad aprire le mani e ad afferrare gli oggetti. Oltre alle capacità motorie, spesso sono compromesse anche le capacità sensoriali. I pazienti non sono più in grado di sentire quanto saldamente tengono un oggetto.

Gassert e il suo team hanno sviluppato un robot che favorisce lo scambio tra mano e cervello in entrambe le direzioni. In un esercizio, i pazienti devono afferrare alla cieca con le dita blocchi di legno di diversa lunghezza e poi riconoscere di quale blocco si tratta in base alla posizione della mano. Il robot sviluppato da Gassert simula questo esercizio: i pazienti afferrano i blocchi virtuali premendo due maniglie mobili l'una contro l'altra. Chi siamo definisce con il sistema di controllo per quanto tempo le maniglie possono essere mosse liberamente e in quale punto vengono bloccate. Il paziente può quindi sentire quanto sono grandi i blocchi virtuali.

Il robot consente di misurare in modo oggettivo le capacità sensoriali. "I terapisti hanno una buona percezione del progresso di una persona nella vita quotidiana. Ma se vogliamo fare progressi in questo campo specializzato, abbiamo bisogno di dati di misurazione più oggettivi", è convinto Gassert. Il dispositivo è attualmente in fase di sperimentazione in una clinica di riabilitazione in Ticino. I primi risultati sono incoraggianti: il lavoro con il robot terapeutico sembra apportare un notevole miglioramento, anche perché l'intensità dell'esercizio può essere aumentata gradualmente con il dispositivo.

Taglio, cucitura, cucito

Tuttavia, un secondo progetto a cui Gassert sta lavorando intensamente va in una direzione completamente diversa. Nell'ambito di un progetto dell'UE, sta lavorando con ricercatori di altre università per sviluppare un robot chirurgico che sarà poi in grado di eseguire autonomamente alcune semplici operazioni. L'obiettivo è alleggerire il carico di lavoro dei medici. "Come nel caso del controllo di un aereo, in futuro l'uomo si occuperà principalmente delle fasi più complesse, mentre dovrà monitorare la macchina solo per gli elementi più semplici", spiega Gassert. Tuttavia, gli scienziati sono ancora lontani: stanno attualmente costruendo il primo prototipo. Se funzionerà come previsto, sarà in grado di svolgere tre compiti: Prelevare un campione di tessuto perforandolo, ricucire una piccola ferita e tagliare un tessuto da una ferita. Il sistema di controllo del robot utilizza i dati raccolti prima e durante la procedura con tecniche di imaging. Ciò consente alla macchina di reagire se gli organi si spostano durante la procedura.

Nello specifico, il robot chirurgico è costituito da due "mani" mobili, ciascuna delle quali può afferrare qualcosa con due "dita". Le mani sono attaccate a una piastra rotante per mezzo di "braccia" mobili, che a loro volta sono sospese a un sistema di binari. "La costruzione si ispira a un medico che si china sul paziente", spiega Gassert. L'apparato ha un totale di 18 gradi di libertà e i requisiti di controllo sono di conseguenza elevati.

Percepire correttamente la forza

Un'innovazione importante è che il dispositivo è dotato di sensori di forza. Il robot è in grado di riconoscere la forza che agisce sul tessuto durante la procedura. In questo modo è possibile evitare danni agli organi. La misurazione della forza è un vantaggio anche quando il medico sutura le ferite. Con gli attuali robot chirurgici, il medico può vedere sullo schermo che la sutura è in tensione. Ma non sa quanta forza viene esercitata su di essa.

Le varie parti del robot, sviluppate in diverse università, sono state assemblate nel laboratorio di Gassert quest'autunno. "A Zurigo ci siamo concentrati sullo sviluppo e sul controllo del robot", riferisce Gassert. "Se tutto va secondo i piani, gli ingegneri potranno presto praticare le prime operazioni chirurgiche su organi animali con i medici dell'Ospedale universitario di Zurigo. "Ci vorranno ancora alcuni anni prima che il robot esegua operazioni in modo indipendente", afferma Gassert, temperando le aspettative troppo alte. "Tra l'altro, dobbiamo ancora chiarire alcune questioni di sicurezza - ad esempio, cosa succede ai pazienti se si verifica un errore imprevisto durante l'operazione".