Un arto robotico soprannumerario indossabile flessibile per pazienti con ictus cronico

Secondo una precedente ricerca¹, a partire dal 2019, ci sono stati più di 100 milioni di casi di ictus in tutto il mondo. Circa due terzi di questi casi hanno provocato sequele emiplegiche e oltre l’80% dei pazienti con ictus emiplegico grave non è riuscito a recuperare completamente la funzione della mano e del braccio². Inoltre, si prevede che l’invecchiamento della popolazione continuerà a crescere nei prossimi decenni, portando a un aumento significativo del numero di potenziali vittime di ictus. Le persistenti menomazioni degli arti superiori a seguito di un ictus possono influenzare in modo significativo le attività della vita quotidiana (ADL) e la riabilitazione della mano è stata clinicamente riconosciuta come un obiettivo critico per migliorare l’attività e la partecipazione dei pazienti con ictus cronico³.

I tradizionali dispositivi robotici motorizzati per l’arto superiore possono fornire una forza motrice notevole, ma le loro strutture rigide spesso si traducono in grandi dimensioni e pesi elevati. Inoltre, comportano il rischio di causare danni irreversibili al corpo umano in caso di malfunzionamento. Al contrario, gli attuatori pneumatici morbidi hanno dimostrato un notevole potenziale nella riabilitazione⁴, nell’assistenza⁵ e nelle applicazioni chirurgiche⁶. I loro vantaggi includono la sicurezza, la costruzione leggera e la conformità intrinseca.

Negli ultimi anni sono emersi numerosi robot indossabili flessibili, progettati e sviluppati attorno ad attuatori pneumatici morbidi. Questi robot sono stati destinati alla riabilitazione e all’assistenza post-riabilitativa degli arti superiori dei pazienti colpiti da ictus. Comprendono principalmente gli esoscheletri delle mani ^7,8 e gli arti soprannumerari ^9,10. Sebbene entrambi siano utilizzati nei campi della robotica indossabile e della riabilitazione, il primo interagisce direttamente con il corpo umano, limitando potenzialmente i muscoli o le articolazioni, mentre il secondo integra lo spazio di lavoro o il movimento umano senza vincoli diretti^11,12. Sono state sviluppate dita robotiche soprannumerarie indossabili basate su servomotori per assistere i terapisti occupazionali nella formazione delle attività della vita quotidiana (ADL)⁹. Un approccio simile può essere trovato in altre ricerche¹⁰. Queste due categorie di dita robotiche hanno introdotto nuove possibilità per l’applicazione di tali robot nell’assistenza riabilitativa dei pazienti emiparetici. Tuttavia, vale la pena notare che la struttura rigida impiegata in questi progetti robotici può introdurre potenziali considerazioni sul comfort e sulla sicurezza dell’utente. Sono stati presentati la progettazione, la fabbricazione e la valutazione di un guanto robotico morbido indossabile¹³, che può essere utilizzato per la riabilitazione della mano e l’allenamento specifico per compiti durante la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Il guanto utilizza attuatori pneumatici morbidi in elastomeri siliconici per generare il movimento dell’articolazione delle dita e il dispositivo è compatibile con la risonanza magnetica senza causare artefatti nelle immagini fMRI. Yun et al. hanno presentato l’Exo-Glove PM, un guanto di assistenza pneumatico morbido personalizzabile che utilizza un approccio basato sull’assemblaggio¹⁴. Questo design innovativo è caratterizzato da piccoli moduli e distanze regolabili tra loro, consentendo agli utenti di personalizzare il guanto in base alla lunghezza della falange utilizzando i distanziatori. Questo approccio massimizza il comfort e le prestazioni senza la necessità di una produzione personalizzata. I ricercatori hanno presentato attuatori morbidi composti da materiali elastomerici con canali integrati che funzionano come reti pneumatiche¹⁵. Questi attuatori generano movimenti di flessione che si adattano in modo sicuro ai movimenti delle dita umane. Inoltre, i ricercatori hanno introdotto l’AirExGlove, un esoscheletro morbido gonfiabile leggero e adattabile¹⁶. Questo sistema è conveniente, personalizzabile per le diverse dimensioni della mano e ha accolto con successo pazienti con diversi livelli di spasticità muscolare. Offre una soluzione più ergonomica e flessibile rispetto ai sistemi robotici a collegamento rigido. Sebbene questi studi abbiano contribuito in modo significativo allo sviluppo di robot flessibili per la riabilitazione della mano e di assistenza alla mano, vale la pena notare che nessuno di essi ha raggiunto la completa portabilità e il controllo dell’interazione uomo-robot.

Numerosi studi hanno esplorato la correlazione tra i segnali biologici, come i segnali dell’elettroencefalogramma (EEG)¹⁷ o dell’elettromiogramma (EMG)¹⁸, e l’intenzione umana. Tuttavia, entrambi gli approcci presentano alcune limitazioni all’interno dei vincoli dei dispositivi e delle condizioni tecnologiche esistenti. Gli elettrodi invasivi richiedono procedure chirurgiche sul corpo umano, mentre gli elettrodi non invasivi soffrono di problemi come alti livelli di rumore e inaffidabilità nell’acquisizione del segnale. Discussioni dettagliate di queste limitazioni possono essere trovate nella letteratura^19,20. Pertanto, il perseguimento della ricerca sulla portabilità e sulle capacità di interazione uomo-macchina di facile utilizzo degli arti robotici soprannumerari indossabili flessibili rimane altamente rilevante.

In questo studio, è stato progettato e fabbricato un arto robotico soprannumerario indossabile flessibile unico nel suo genere per assistere i pazienti con ictus cronico nella riabilitazione delle dita e nell’assistenza alla presa. Questo arto robotico è caratterizzato da leggerezza, sicurezza, conformità, impermeabilità e dall’impressionante rapporto peso/pressione. Sono state ottenute due modalità di presa, la presa a busta e la presa con la punta delle dita, mantenendo la portabilità e garantendo un’interazione uomo-robot di facile utilizzo. Il protocollo descrive in dettaglio il processo di progettazione e fabbricazione della pinza pneumatica e lo schema indossabile. Inoltre, è stato proposto un metodo di interazione uomo-robot basato su sensori di piegatura flessibili, che consente un controllo comodo e intuitivo attraverso la segmentazione delle soglie. Tutti questi aspetti sono stati validati attraverso esperimenti pratici.

I principali contributi di questo studio sono riassunti come segue: (1) È stato progettato e fabbricato un arto robotico soprannumerario flessibile leggero, amichevole e indossabile per pazienti con ictus cronico. (2) È stato realizzato un metodo affidabile di interazione uomo-robot basato su sensori di piegatura flessibili. (3) Sono stati condotti esperimenti nel mondo reale per verificare l’efficacia e l’affidabilità del meccanismo e del metodo proposti, che includono test della forza di uscita e coinvolgono sei pazienti con ictus cronico.