Protesi robotica sincronizzata

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Molti dei pazienti amputati che indossano protesi di arto inferiore trovano estremamente faticoso muoversi, tanto da ridurre le proprie attività quotidiane. Anche le protesi più moderne, infatti, hanno spesso un peso importante e richiedono l’attivazione di vari switch per passare da una modalità all’altra. Inoltre, il passo risulta innaturale, favorendo cadute.

Sono tanti i gruppi di ricerca che stanno ideando e studiando protesi più facili da usare e capaci di mimare l’attività di una gamba nativa. Si lavora sul biofeedback dato dal terreno, per percepirne le asperità e riuscire a mantenere l’equilibrio, e sulla sincronizzazione del passo robotico con quello naturale.
Proprio quest’ultimo è l’obiettivo di uno studio condotto da un team di ricerca indiano afferente all’Electronics and Instrumentation Engineering Department del Narula Institute of Technology (Kolkata) e dell’Indian Institute of Information Technology (Kalyani).

Si tratta di uno studio che va ad aggiungere informazioni a un processo di progettazione che prosegue da qualche tempo, con vari aspetti già documentati in letteratura da studi precedenti, iniziato nel 2019.

Per lavorare sulla sincronizzazione gli autori hanno ideato un sistema per mettere in comunicazione l’arto robotico con quello sano: hanno usato un sistema wi-fi capace di passare informazioni provenienti da un ginocchio e una caviglia nativi tramite encoder rotativi alle articolazioni robotiche. Grazie a questo sistema, gli autori hanno potuto confrontare lo stile di cammino di un arto vero con quello dell’arto robotico, evidenziando le differenze e quindi le criticità su cui lavorare.
Il passo è un processo complesso, fatto di 7 step, alcuni appartenenti alla così detta fase di stance e altre a quella di swing: ognuno di questi step richiede particolari range of motion (ROM) da parte di ginocchio e caviglia per essere portati a termine. Anche l’anca è coinvolta, ma in questo caso è sempre quella del paziente.

Diagramma del passo dell’arto robotico (credit: autori dello studio)

Gli autori hanno quindi misurato e confrontato il ROM dell’arto nativo e di quello robotico per ogni fase del passo: ciò che hanno osservato è un certo equilibrio dell’arto robotico, simile in molti aspetti a quello dell’arto nativo, con differenze nell’ordine di 2-7 gradi per il ginocchio e di 0-5 gradi per la caviglia. Anche le prove effettuate per il voltaggio prodotto dalle articolazioni native e robotiche sono andate bene, anche se si sono evidenziate differenze da 0.1 a 0.3 volt per il ginocchio e da 0.2 a 0.4 per la caviglia. Questi risultati portano nuove informazioni al team.

Gli autori hanno, per esempio, verificato che la parte meno nota del sistema è il modello matematico che va a generare la cinematica artificiale della protesi. Si sono inoltre avute conferme della bontà di alcune scelte fatte. Per esempio, il metodo di Lyapunov, selezionato per analizzare la stabilità del processo, ha funzionato bene.
Lo stesso si può dire dell’introduzione di un particolare controller nel sistema della protesi artificiale, che ha permesso di migliorarne la stabilità, portando aggiustamenti ad alcuni parametri di messa a punto.

Che cosa manca? Nel prossimo step gli autori andranno a sviluppare un progetto di sistema con gradi di libertà migliori. Inoltre, si andranno a valutare arti inferiori di soggetti con diversi pesi corporei, per poi analizzare i movimenti servo-assistiti delle relative protesi robotiche.
L’intento è individuare un sistema che possa garantire a ogni paziente con amputazione di arto inferiore di utilizzare una protesi sincronizzata al proprio passo: ciò renderebbe più semplice il movimento, supportandone al contempo la sicurezza.

(Lo studio: Das, S.; Nandi, D.; Neogi, B. Design Analysis of Prosthetic Unilateral Transtibial Lower Limb with Gait Coordination. Prosthesis 2023, 5, 575-586. https://doi.org/10.3390/prosthesis5020040)