Smart ArM: spingersi oltre i limiti del corpo umano

In vista della Cybathlon 2020, una competizione internazionale unica per concorrenti con disabilità che usano tecnologie assistive bioniche, un team di ricercatori francesi dell'Istituto sistemi intelligenti e robotica (ISIR) di Parigi ha sviluppato il "Smart ArM". Si tratta di una protesi del braccio progettata per amputati transomerali, ossia sopra il gomito. Risultato di diversi anni di ricerca, il design di questa protesi ha rappresentato una vera sfida in quanto ha comportato la creazione di un gomito protesico. L'articolo ripercorre questa sfida tecnologica e avventura umana.

A causa della pandemia di Covid-19, la Cybathlon 2020 si terrà il 13-14 novembre 2020, in tutto il mondo e in un nuovo formato: nelle sedi principali dei vari team. Allestiranno la propria infrastruttura per la competizione e filmeranno le varie prove. Da Zurigo, le sfide verranno trasmesse tramite una nuova piattaforma in un programma in diretta esclusivo.

Una protesi del braccio progettata per amputati transomerali, ossia sopra il gomito

Un progetto ambizioso per soddisfare le esigenze di una particolare disabilità

Meno comune dell'amputazione dell'avambraccio e della mano, l'amputazione del braccio è rimasta relativamente ignorata dalla ricerca per molto tempo. Con essa si intende l'amputazione del gomito o l'agnesia totale dell'avambraccio, ossia la mancanza sin dalla nascita. Sebbene questa disabilità riguardi soprattutto giovani che desiderano ricevere una protesi, attualmente non è disponibile un numero sufficiente di soluzioni protesiche. Di fronte a questo scenario di partenza, un team di ricercatori dell'Istituto sistemi intelligenti e robotica (ISIR) ha avviato un progetto di ricerca nel lontano 2014. In collaborazione con il team AGATHE (Assistance au Geste et Applications thérapeutiques), questi ricercatori hanno conseguito risultati promettenti con le protesi degli arti superiori. "Dopo avere partecipato alla prima edizione della Cybathlon nel 2016 in qualità di spettatori, desideravamo formare un team per promuovere la nostra vision e le nostre innovazioni," spiega Nathanaël Jarrassé, responsabile della ricerca di ISIR e direttore del progetto Smart ArM, che si è appassionato all'ottimizzazione del corpo umano.

Accoppiamento uomo-macchina

Ora dovevano trovare un pilota. Dopo alcune ricerche infruttuose e dopo una discussione tra un collaboratore di maxon, un partner della Cybathlon e un fornitore di motori per l'ISIR, è stato trovato il candidato ideale. Il candidato è Christophe Huchet, ex manager di ristoranti parigini che ora allena i business manager di PMI. Nato con una agnesia del braccio destro, ha alle spalle anche una impressionante carriera come nuotatore, più volte campione paraolimpico ed eccellente anche nelle competizioni per normodotati. "Questo progetto mi ha riportato allo sport agonistico e alle relative dinamiche che ho conosciuto molto bene nella mia carriera di nuotatore ma questa volta al servizio di una causa importante: aiutare gli altri e fare progredite la tecnologia e la società. Per me è importante partecipare a questo evento che intende cambiare il modo in cui le persone senza tutori guardano le persone con tutori per mostrare l'aspetto straordinario dell'accoppiata "utente-protesi" e promuovere questa perfetta unione di uomo e tecnologia che rende per così dire "meravigliosa" la disabilità " spiega Christophe Huchet.

Per partecipare alla Cybathlon, nel 2018 è nato il team Smart ArM, composto da un pilota, un manager, un team tecnico di 11 persone dell'ISIR e dell'ISM-Univ Aix-Marseille oltre a un team medico. Un progetto di questo tipo riunisce diversi campi di ricerca, dalla meccatronica all'informatica, alle neuroscienze e alla psicologia in modo da garantire un corretto interfacciamento della protesi con il corpo.

"La nostra partecipazione alla Cybathlon è stata motivata da diversi obiettivi, tra cui la promozione delle innovazioni tecnologiche dell'ISIR, testate nel contesto impegnativo di una competizione. Desideravamo anche richiamare l'attenzione del pubblico generale su queste particolari disabilità, comunicando le reali possibilità e i limiti delle tecnologie assistive robotiche," spiega Nathanaël Jarrassé. Il progetto Smart ArM evidenzia l'importante ruolo svolto dall'accoppiata "uomo-macchina", dato che spesso tendiamo a credere che il successo sia dovuto solo alla tecnologia.

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Molteplici difficoltà di progettazione

Il team Smart ArM ha affrontato diverse difficoltà per portare il suo pilota in pista. La principale consisteva nello sviluppo di un'articolazione protesica del gomito conosciuta come "esoscheletro" compatibile con l'anatomia di Christophe Huchet. "Al contrario del moncone di un amputato al braccio, generalmente accorciato dall'operazione di amputazione, il suo braccio ha la lunghezza di un braccio normale e quindi lascia poco spazio per l'installazione di una tradizionale articolazione protesica esoscheletrica del gomito," spiega Nathanaël Jarrassé. I ricercatori hanno scelto di spostare l'azionamento lateralmente in modo da posizionare l'asse del gomito protesico in modo ottimale.

Questa però non è stata di certo l'unica sfida posta dalla protesi Smart ArM: essendo stato progettato per partecipare alla Cybathlon, il prototipo doveva resistere un uso estensivo e intensivo all'esterno del laboratorio. Era quindi necessario progettare un dispositivo robusto e completamente integrato.

Elevati limiti di motorizzazione

La scelta della motorizzazione del prototipo è stata cruciale e ha dovuto considerare diversi parametri. I motoriduttori utilizzati sul prototipo vengono sottoposti a un uso intermittente molto intenso, con una trasmissione a vite senza fine per l'articolazione del gomito a bassa efficienza e alto attrito a secco che rendono difficile l'avviamento. Inoltre era necessario considerare le elevate fluttuazioni nelle tensioni di alimentazione e considerevoli urti e vibrazioni poiché il prototipo sarebbe stato indossato continuamente dal soggetto mentre camminava e correva.

Sono stati necessari sei mesi di lavoro per sviluppare l'articolazione esoscheletrica del gomito della protesi Smart ArM. Per l'azionamento il team ha scelto di ricorrere a un motore maxon. "Un gomito umano genera circa 15 Nm di coppia con velocità superiori a 150°/s. Per riprodurre queste caratteristiche con una piccola articolazione e l'alimentazione a batteria, stavamo cercando un motoriduttore dalle prestazioni estremamente alte e di piccolo diametro. Per questo ci siamo affidati alla gamma di motoriduttori DCX-GPX di maxon," spiega Nathanaël Jarrassé. All'istituto ISIR non è insolito che i motori maxon vengano usati per equipaggiare i prototipi robotici sviluppati nell'ambito di diversi progetti di ricerca. "Il vantaggio dei prodotti maxon è che offrono una gamma molto ampia di azionamenti di piccolo diametro e motori che rispecchiano alla perfezione queste caratteristiche consentendo un ottimo dimensionamento durante le fasi preliminari di progettazione," aggiunge il project manager di Smart ArM. I team di ricerca della Sorbona hanno particolarmente apprezzato l'abilità di realizzare e personalizzare l'azionamento online. maxon ha fornito anche l'assistenza tecnica mettendo a disposizione l'elevata competenza dei suoi ingegneri.

Il team Smart ArM spera che la dimostrazione del suo know-how durante la Cybathlon 2020 consenta di trasferire le innovazioni sviluppate ai prodotti commerciali. Sono sicuri che questo approccio innovativo al controllo delle protesi basato sui movimenti del corpo convincerà i produttori a stabilire delle collaborazioni che permetteranno a un maggior numero di persone di trarre vantaggio da questa innovazione. "Sviluppare la tecnologia per aiutare le persone con disabilità, nonostante le molte sfide, è estremamente stimolante ed eccitante," afferma Nathanaël Jarrassé. Nel corso del progetto, il team Smart ArM è stato incaricato di sviluppare uno strumento utile, accettabile e adatto alle persone che desiderano utilizzare i dispositivi. Una grande ambizione di cui maxon è orgogliosa di avere fatto parte.

Maggiori informazioni sul sito web Smart ArM.