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Stampa 3D e IA: la tecnologia nelle nuove protesi per il movimento

Finirà presto il tempo in cui protesi era sinonimo di vita sportiva completamente terminata. La ricerca e la tecnologia corrono veloci, con benefici e vantaggi che toccheranno anche la pratica sportiva. Tornare a fare sport dopo un'operazione importante, infatti, grazie alle moderne protesi sarà presto una realtà alla portata di tutti.

Protesi avanzate e riduzione dei costi con la stampa 3D

Gli sviluppi delle stampanti 3D e le innovazioni in fatto di design delle protesi offrono nuove opportunità a milioni di persone in tutto il mondo.
Fino a ieri, per avere una protesi tradizionale, erano necessarie settimane, a volte mesi. Perché ognuna doveva essere realizzata su misura e il prezzo di conseguenza era particolarmente elevato. Le protesi altamente tecnologiche adatte anche ad attività sportiva erano un privilegio per pochi.
Mano nella mano: protesi e uomo.
Con la stampa 3D invece sarà possibile avere protesi economicamente alla portata di tutti e ognuno potrà progettare e stampare la propria. Questo discorso varrà anche per chi ha perso un arto, o per i bambini che crescono e si muovono e per i quali le sostituzioni devono essere più frequenti. Rendere le protesi più democratiche, realizzandole con la stampa 3D, porterebbe milioni di persone a beneficiare di questa tecnologia. Nel prossimo futuro, saranno oggetti integrati nella vita di tutti i giorni.
Iniziative open source come The Enable Community Foundation (portata avanti da un team internazionale di volontari) permettono di creare la propria mano per circa 50 dollari. Tecnologie di scansione del corpo permettono anche di creare modelli dall’aspetto naturale.
Gli sviluppi tecnologici provenienti dal mondo dell’innovazione portano a introdurre nuove abilità, sensori e algoritmi sofisticati con l’obiettivo di rendere sempre più naturali i movimenti (come mostrano i progetti portati avanti al Mit dal ricercatore Hugh Herr). Senza contare che le stampanti 3D stanno diventando compatibili con materiali sempre nuovi, come il titanio leggero.
Gli scienziati studiano applicazioni della stampa 3d nello sviluppo di protesi di ultima generazione

Il futuro delle protesi nell’intelligenza artificiale

In futuro, le persone saranno in grado di controllare le protesi robotiche con il pensiero, utilizzando interfacce cervello-computer. A questo stanno lavorando attualmente i ricercatori, al momento focalizzandosi sulle persone che perdono l’uso degli arti. I segnali cerebrali sono difficili da decifrare, il che significa che le interfacce cervello-computer esistenti che controllano gli arti robotici sono spesso lente o goffe.

Rendere le protesi più democratiche, realizzandole con la stampa 3D, porterebbe milioni di persone a beneficiare di questa tecnologia

Ma le cose potrebbero presto cambiare: un team di medici e neuroscienziati ha recentemente pubblicato un articolo sulla rivista Nature Medicine su un’interfaccia cervello-computer che utilizza una rete neurale per decodificare i segnali cerebrali in movimenti precisi tramite un braccio robotico realistico controllato dalla mente. I sistemi di intelligenza artificiale utilizzati in questa ricerca sono modellati in maniera relativamente simile ai “circuiti” del cervello che eccellono nel trovare modelli in grandi serie di informazioni.
Un prototipo di protesi di cuore stampato in 3D

Le reti neurali

Dopo sessioni di allenamento nel corso di quasi due anni e mezzo, le reti neurali sono state sufficientemente pronte nell’individuare quali segnali cerebrali erano legati a specifici comandi muscolari e come trasmetterli all’arto robotico. Non solo la rete neurale ha consentito al paziente di muovere il braccio robotico con maggiore accuratezza e minor ritardo rispetto ai sistemi esistenti, ma lo ha fatto ancora meglio quando i ricercatori hanno lasciato che si allenasse da sola: cioè, la rete neurale risultava essere in grado di insegnare a sé stessa quali segnali del cervello corrispondevano a quali movimenti del braccio in modo più efficace senza alcun suggerimento da parte dei ricercatori.
Con la rete neurale, il soggetto è stato in grado di raccogliere e manipolare tre piccoli oggetti con la mano robotica, un’abilità che è facilmente data per scontata ma spesso sfugge a coloro che si affidano ad arti protesici nella vita quotidiana.
Le nuove protesi non limitano l'attività sportiva

Protesi dotate di tatto

Oltre a simulare i movimenti della parte del corpo interessata, sia essa una mano, una gamba o un ginocchio, le protesi del futuro riusciranno a ricreare anche la sensazione, per chi la usa, di toccare e sentire.
Ad esempio, la ricerca sta già lavorando per creare una pelle sintetica e intelligente – con sensori incorporati – che simuli il feedback tattile della pelle umana, rendendo possibile sentire la pressione, la temperatura e anche l’umidità. Ma in che modo si potrebbe alimentare un materiale tanto futuristico? Un gruppo di ricercatori dell’Università di Glasgow, nel Regno Unito, ha messo a punto una versione che sfrutterebbe i raggi del sole per alimentare quei sensori che consentono alla pelle elettronica di imitare quella umana.
Protesi di mano sensibili al tatto
Producendo la propria energia da una fonte naturale, secondo i tecnici, la pelle elettronica potrebbe funzionare meglio di altri materiali simili alimentati da batterie o collegati ad una fonte di alimentazione che ne limita la portabilità, e si tratta chiaramente una caratteristica fondamentale per qualsiasi protesi touch o robotica sensibile al movimento. La squadra di tecnici ha sovrapposto uno strato di cellule fotovoltaiche elettrogene al dorso di una mano protesica sulla quale sono stati aggiunti dei sensori. Questi sensori sono stati realizzati in grafene, un materiale flessibile più forte dell’acciaio, elettricamente conduttivo e trasparente. Il team ha poi incaricato la mano di eseguire esercizi quali afferrare oggetti morbidi, operazione riuscita con successo.

La mano bionica italiana con il senso del tatto

Tra le realizzazioni più innovative in tema di protesi dotate di senso del tatto c’è quella creata per Almerina Mascarello che oggi è la prima donna con una mano bionica che dispone della sensazione del tatto. L’intervento è stato eseguito al Policlinico Gemelli su tecnologia dell’Università di Pisa.

Almerina Mascarello, 55 anni, ha perso la mano sinistra e parte dell’avambraccio in un incidente vent’anni fa ed è stata scelta come uno dei soggetti sottoposti a test medici per il nuovo tipo di protesi.

Esercizi come le gambe divaricate sarebbero stati più complessi con protesi di vecchie generazioni
I ricercatori hanno equipaggiato la Mascarello con l’arto artificiale, che permette un movimento completo delle dita ed è fornito di falangi morbide e tattili, e di uno zaino da indossare che contiene un piccolo computer. Quando le dita della mano bionica toccano qualcosa, i segnali che generano vengono inviati al computer che poi elabora le informazioni e le trasmette al suo cervello tramite elettrodi collegati ai nervi del suo braccio.

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