Eccolo, il robot con capacità neurologiche

Le nuove scoperte della robotica leggera ispirati alla natura

I dispositivi sinaptici artificiali sono la nuova sfida della robotica leggera. Gli studi recenti hanno preso ispirazione dalla natura (in particolar modo, dai lombrichi) per poter produrre alternative più efficienti alle protesi tradizionali.

Utilizzando la flessibilità e l’estensione tipica degli animali a corpo morbido, gli scienziati hanno deciso di approfondire le ricerche per capire come applicare gli stessi meccanismi anche nel campo delle reti neurali.

La natura ispira i progressi della robotica leggera

La robotica leggera è un campo nuovo e in crescita che si concentra sulle qualità meccaniche e sull'integrazione di materiali, strutture e software. Sino a qualche decennio fa i robot venivano principalmente progettati con una struttura rigida. Questo era un modo utile per esibirsi velocemente e con precisione.

Utilizzati per compiti ripetitivi e di controllo, grazie anche alla composizione prettamente elettromagnetica (magneti, rame, cuscinetti in acciaio), nulla o quasi avevano a che vedere con la moderna robotica che invece prende sempre di più ispirazione dalla natura.

Ed ecco che dunque proprio in natura la stragrande maggioranza degli animali ha di fatti un corpo morbido. In tal senso persino quelli con esoscheletri rigidi, come ad esempio gli insetti, persistono in fasi di vita di lunga durata interamente sotto forma di vermi, larve, etc... composti principalmente da tessuti molli e liquidi.

Studiare come gli animali usano i loro materiali morbidi per muoversi in ambienti complessi e imprevedibili può fornire informazioni preziose per le applicazioni robotiche emergenti in medicina, in ricerca e in situazioni di emergenza.

In tutti questi casi si richiedono robot in grado di gestire interazioni imprevedibili in ambienti non strutturati, dotandoli di funzionalità che non si basano su sistemi di controllo ma su capacità tipiche dei materiali utilizzati e della morfologia dei loro corpi.

Nello stesso modo in cui i movimenti degli animali si basano sulla stretta integrazione di controlli neurali e meccanici, la robotica leggera mira a ottenere meccanismi migliori e più semplici sfruttando l’intelligenza meccanica dei materiali morbidi, al fine di capire come le funzioni neurologiche possono trarre beneficio dalle caratteristiche singolari da animali come i lombrichi.

Sinapsi e sistemi di locomozione animale: le similarità

Le sinapsi sono strutture biologiche uniche e svolgono una funzione critica per la trasmissione di segnali elettrici e chimici che consentono ai neuroni di comunicare tra loro e sono responsabili della codifica di sensazioni, pensieri, ecc. Sia nell’uomo che nell’animale, la sinapsi è generalmente morbida e può deformarsi in maniera diversa, come accade in alcune specie animali, dove la sua estensione può essere significativa.

Questo accade ad esempio nei lombrichi. In questo caso  infatti i loro nervi sono molto estensibili (raggiungono anche il 100% dell’estensione) a seconda dell’interazione con l’ambiente circostante. Lo studio di M. L. Schneider (2018), pienamente in linea con le nuove scoperte in biologia, abbina i progressi della tecnologia e l’elettronica per lo sviluppo di dispositivi sinaptici artificiali.

Le ricerche sui dispositivi sinaptici

Utilizzando materiali elettronici elastomerici completamente gommosi, uno studio di Hyunseok Shim et al. (2019) mostra come sia stato possibile ricreare le stesse condizioni delle sinapsi tramite l'utilizzo di semiconduttori e gel. Per Cunjiang Yu (professore associato di ingegneria meccanica di Bill D.Cook presso l’Università di Houston) che si è occupato del documento, questo lavoro rappresenta un passo significativo verso lo sviluppo di protesi di nuova concezione.

Parliamo infatti di protesi che potrebbero connettersi direttamente con i nervi periferici nei tessuti biologici, offrendo funzionalità neurologica agli arti artificiali.

Per descrivere le capacità umane che il nuovo dispositivo può imitare, il professor Yu ha affermato:

"Quando viene toccata la pelle umana, la senti. La sensazione ha origine nel cervello attraverso percorsi neurali dalla pelle al cervello."

I risultati hanno implicazioni per la neuroprostetica, così come per il calcolo neuromorfo, una tecnologia emergente utile a consentire l'elaborazione di informazioni ad alto volume usando piccole quantità di energia attraverso dispositivi che imitano il comportamento elettrico delle reti neurali.

I dispositivi sinaptici artificiali sarebbero quindi utili per la produzione di una pelle sensoriale deformabile dove i meccanorecettori interfacciano le stimolazioni esterne e generano impulsi presinaptici, trasformandoli poi in potenziali post sinaptici.

Oltre a questo il neurorobot è in grado di eseguire una locomozione in risposta alla memoria robotica, programmabile attraverso il contatto con la pelle.

Il transistor, descritto dai ricercatori con caratteristiche di allungamento simili a quelle di un elastico, presenta funzioni simili a quelle delle sinapsi biologiche. Il potenziale post-sinaptico eccitatorio aiuta il neurorobot a rilevare il tocco fisico e trasformarlo attraverso segnali codificati nella memoria sinaptica.

Prospettive per il futuro

Sfruttando la loro capacità di deformare e modulare la rigidità del corpo, le recenti evidenze scientifiche stanno giocando un ruolo vitale nello sviluppo di nuovi meccanismi che implementano l’intelligenza meccanica di animali dal corpo morbido.

Sono numerosi i vantaggi per gli utenti e l’applicazione medica, tra i quali la possibilità di interagire in maniera più sicura con l’ambiente circostante, abilitare dispositivi robotici per gli interventi medici di diagnosi, terapia farmacologica e chirurgia, senza dimenticare che l’utilizzo di robot soft bodied potrà risultare meno traumatico rispetto ai dispositivi rigidi.

Le ricerche considerano anche la possibilità di costruire soft robot con materiali biologici e cellule viventi. Da queste erediterebbero numerosi vantaggi come ad esempio:

• uno straordinario potenziale di autoassemblaggio (da strutture molecolari a dispositivi integrati);
• una capacità di alimentazione data da idrocarburi densi di energia, sicuri come lipidi e zuccheri;
• la biocompatibilità e biodegradabilità (rendendo questa tecnologia totalmente green).

In conclusione, le nuove sfide risiederanno nella selezione di fonti tissutali appropriate e nell’interfaccia tra materiali sintetici ed elettronica. Questa sarà dunque la direzione e lo scopo tra l'integrazione dei robot e la riabilitazione neurologica.

La possibilità di poter sviluppare protesi più funzionali ed efficienti avrà ripercussioni positive anche nell'efficacia delle riabilitazioni in pazienti con traumi gravi, argomento approfondito anche nel nostro corso ECM FAD "Infermieristica e disabilità" a cura di Elsa Vitale a supporto del lavoro dei professionisti sanitari e dei programmi terapeutici. 

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Fonti:

S. Kim, C. Laschi, B. Trimmer, Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics, in Trends in biotechnology, 2013 - Elsevier 

Hyunseok Shim, Kyoseung Sim, Faheem Ershad, Pinyi Yang, Anish Thukral, Zhoulyu Rao, Hae-Jin Kim, Yanghui Liu, Stretchable elastic synaptic transistors for neurologically integrated soft engineering systems, Science Advances 11 Oct 2019: Vol. 5, no. 10, eaax4961 DOI: 10.1126/sciadv.aax4961 M.

L. Schneider, C. A. Donnelly, S. E. Russek, B. Baek, M. R. Pufall, P. F. Hopkins, P. D. Dresselhaus, S. P. Benz, W. H. Rippard, Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions. Sci. Adv. 4, e1701329 (2018)

University of Houston, Researchers build a soft robot with neurologic capabilities, Device is first step toward a more sophisticated artificial nervous system, 15 October 2019, in https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191015110650.htm