Il MiniTouch, un dispositivo che consente agli amputati di sentire caldo e freddo nella loro mano fantasma
Creato un dispositivo indossabile non invasivo che può essere utilizzato per fornire sensazioni termiche sulle mani fantasma degli amputati
«Quando tocco il moncherino con la mano, sento un formicolio nella mia mano mancante, la mia mano fantasma. Ma sentire la variazione di temperatura è una cosa diversa, qualcosa di importante... qualcosa di bello», dice la signora Francesca Rossi. Ella è un amputata italiana di Bologna. Di recente ha partecipato a uno studio per testare gli effetti del feedback della temperatura direttamente sulla pelle del suo braccio residuo. È una dei 17 pazienti ad aver sentito il suo fantasma, la mano mancante, cambiare di temperatura grazie alla nuova tecnologia dell'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Ancora più importante, riferisce di sentirsi ricollegata alla sua mano mancante.
«Il feedback sulla temperatura è una bella sensazione perché senti completamente l'arto, l'arto fantasma. Non sembra più un fantasma perché il tuo arto è tornato», continua Rossi.
I ricercatori Silvestro Micera (1) e Solaiman Shokur (2) hanno voluto incorporare un nuovo feedback sensoriale negli arti protesici per fornire un tocco più realistico agli amputati, e il loro ultimo studio si concentra sulla temperatura. Si sono imbattuti in una scoperta sul feedback della temperatura che supera di gran lunga le loro aspettative.
Se metti qualcosa di caldo o freddo sull'avambraccio di un individuo intatto, quella persona sentirà la temperatura dell'oggetto localmente, direttamente sull'avambraccio. Ma negli amputati, quella sensazione di temperatura sul braccio residuo può essere avvertita... nella mano fantasma mancante.
Fornendo feedback sulla temperatura in modo non invasivo, tramite elettrodi termici (noti anche come termodi) posizionati contro la pelle del braccio residuo, gli amputati come Rossi riferiscono di sentire la temperatura nel loro arto fantasma. Possono sentire se un oggetto è caldo o freddo e possono dire se stanno toccando rame, plastica o vetro. In una collaborazione tra EPFL, Scuola Superiore Sant'Anna (SSSA) e Centro Protesi Inail, la tecnologia è stata testata con successo in 17 pazienti su 27. I risultati sono pubblicati su Science. (3)
«Di particolare importanza è che le sensazioni termiche fantasma siano percepite dal paziente come simili alle sensazioni termiche sperimentate dalla mano intatta», spiega Shokur, neuroingegnere scienziato senior dell'EPFL che ha co-condotto lo studio.
Verso un tocco bionico realistico
La proiezione delle sensazioni di temperatura nell'arto fantasma ha portato allo sviluppo di una nuova tecnologia bionica, che dota le protesi di un feedback di temperatura non invasivo che consente agli amputati di discernere ciò che stanno toccando.
«Il feedback sulla temperatura è essenziale per trasmettere informazioni che vanno oltre il tatto, porta a sentimenti di affetto. Siamo esseri sociali e il calore umano ne è una parte importante», afferma Micera, presidente della Fondazione Bertarelli in Neuroingegneria traslazionale, professore all'EPFL e alla SSSA, che ha anche co-condotto lo studio. «Per la prima volta, dopo molti anni di ricerca nel mio laboratorio che dimostrano che le informazioni di tocco e posizione possono essere fornite con successo, prevediamo la possibilità di ripristinare tutte le ricche sensazioni che la mano naturale può fornire».
Feedback sulla temperatura, dal benessere alla protesi
Alcuni anni fa, Micera e Shokur sono venuti a conoscenza di un sistema in grado di fornire feedback sulla temperatura attraverso la pelle di soggetti sani (4), anch'esso sviluppato all'EPFL e derivato da Metaphysiks.
Metaphysiks ha sviluppato la tecnologia neuro-tattile, MetaTouch, che collega il corpo con i mondi digitali. MetaTouch combina feedback tattili e di temperatura per aumentare il benessere dei prodotti fisici.
«Questa svolta evidenzia il potere della sensazione tattile di migliorare le condizioni mediche e migliorare la qualità della vita delle persone con disabilità», afferma il dottor Simon Gallo (5), co-fondatore e responsabile della tecnologia di Metaphysiks.
I neuroingegneri dell'EPFL hanno preso in prestito MetaTouch che fornisce un feedback termico direttamente sulla pelle dell'utente. Con questo dispositivo, hanno scoperto le sensazioni del fantasma termico e successivamente lo hanno testato su 27 amputati.
Il prototipo e i test del Minitouch
Per lo studio, Shokur e Micera hanno sviluppato il MiniTouch, un dispositivo che fornisce un feedback termico e costruito appositamente per l'integrazione in dispositivi indossabili come le protesi. Il MiniTouch è costituito da un sottile sensore indossabile che può essere posizionato sopra il dito protesico di un amputato. Il sensore del dito rileva le informazioni termiche sull'oggetto che viene toccato, più specificamente, la conducibilità termica dell'oggetto. Se l'oggetto è metallico, condurrà naturalmente più calore o freddo rispetto, ad esempio, a uno di plastica. Un thermode, uno che è a contatto con la pelle sul braccio residuo dell'amputato, si riscalda o si raffredda, trasmettendo il profilo di temperatura dell'oggetto toccato dal sensore del dito.
«Quando abbiamo presentato la possibilità di recuperare la sensazione di temperatura sull'arto fantasma o la possibilità di sentire il contatto con materiali diversi, abbiamo ottenuto molti feedback positivi. E alla fine, siamo riusciti a reclutare più di 25 volontari in meno di due anni», afferma Federico Morosato, responsabile dell'organizzazione dell'aspetto clinico delle sperimentazioni presso il Centro Protesi Inail.
Gli scienziati hanno scoperto che piccole aree di pelle sul braccio residuo proiettano su parti specifiche della mano fantasma, come il pollice o la punta di un dito indice. Come previsto, hanno scoperto che la mappatura delle sensazioni di temperatura tra il braccio residuo e l'intero braccio fantasma proiettato è unica per ogni paziente.
Protesi bioniche per la riparazione del corpo umano
Quasi un decennio fa, Micera e colleghi hanno fornito feedback sensoriali in tempo reale sugli oggetti che venivano afferrati. Hanno continuato a migliorare la risoluzione del tocco fornendo feedback sulla trama di un oggetto e informazioni sulla posizione in modo affidabile. Inoltre, hanno scoperto che gli amputati iniziano a incarnare la loro mano protesica se ricevono un feedback sensoriale direttamente nel loro sistema nervoso intatto. La sensazione aggiuntiva del feedback della temperatura è un altro passo verso la costruzione di protesi bioniche per riparare il corpo umano. La messa a punto delle sensazioni di temperatura e l'integrazione di queste in un dispositivo indossabile che può essere mappato su ciascun paziente fanno parte dei passaggi successivi.
Lo studio è stato finanziato in parte dal Fondo Nazionale Svizzero (progetti NCCR Robotics e CHRONOS), dalla Fondazione Bertarelli, dall'Unione Europea (progetto SUN) e dal Ministero della Ricerca italiano (progetti PNRR THE e MNESYS).
Riferimenti:
(1) Silvestro Micera
(2) Solaiman Shokur
(3) Restoration of natural thermal sensation in upper-limb amputees
(4) Design and control of a novel thermo-tactile multimodal display
(5) Simon Gallo
Descrizione foto: Il MiniTouch, un dispositivo che consente agli amputati di sentire caldo e freddo nella loro mano fantasma. - Credit: 2023 EPFL / Alain Herzog.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Amputees feel warmth in their missing hand