La connessione wireless cervello-arto e la realizzazione di una mano robotica evoluta e sensorizzata sono al centro del progetto B-CRATOS.

TAKEAWAY

• Il progetto europeo B-CRATOS intende collegare il sistema nervoso a sistemi di segnalazione per stimolare varie funzioni, innanzitutto protesi, ma in futuro si vuole realizzare lo stesso tipo di connessione anche con muscoli e organi interni.
• La portata della ricerca apre a potenzialità preziose perfino per pazienti con handicap motori notevoli, come pure per altri ambiti dell’healthcare.
• B-CRATOS conterà sull’azione sinergica di sette partner europei, di cui due italiani: l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna e la Fondazione LINKS di Torino.

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Combinare neuroscienze, bionica e intelligenza artificiale per la mano robotica è uno degli obiettivi del progetto europeo B-CRATOS, acronimo di “Wireless Brain-Connect inteRfAce TO machineS“, ovvero interfaccia wireless cervello-macchina.

Questo progetto intende portare alla realizzazione della prima piattaforma di comunicazione senza fili nel corpo ad alta velocità, senza batteria, in grado di connettere Cervello-Macchina-Corpo. Significa, in sintesi, che la protesi non sarà più un elemento estraneo del corpo, ma inserito in modo da renderlo quanto più simile all’arto mancante.

Nel caso specifico, si lavora su una mano robotica. L’obiettivo è collegare il sistema nervoso con sistemi di segnalazione per stimolare varie funzioni, innanzitutto protesi, ma non solo. Infatti, l’obiettivo a lungo termine sarà realizzare lo stesso tipo di connessione anche con muscoli e organi interni, ma soprattutto si lavora a migliorare le prestazioni riducendo sempre più l’invasività di elementi artificiali. 

Per fare questo B-CRATOS conterà sull’azione sinergica di sette partner provenienti da tutta Europa. Tra questi l’Italia è ben rappresentata: per la parte robotica dall’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, con il gruppo di Human-Robot Interaction coordinato dal ricercatore Marco Controzzi; la Fondazione LINKS di Torino si occupa, invece di applicare tecniche di intelligenza artificiale per sviluppare sistema di codifica e decodifica dei messaggi provenienti o diretti alla corteccia motoria.

Artificial intelligence, robotica e sensoristica avanzata

Il progetto europeo conterà su un budget di circa 4,5 milioni di euro, all’interno del programma di finanziamento Horizon 2020. Esso fa parte dei progetti finanziati nell’ambito FET – Future and Emerging Technologies, nato per supportare idee ad elevato grado di innovazione. L’idea alla base, che rende il progetto peculiare, è l’impianto wireless, che connette la corteccia senso-motoria alla protesi.

“All’inizio si lavorerà su una trasmissione di potenza all’esterno ma in futuro si lavora per riuscire a trasmettere i dati in modalità senza fili impiegando come conduttore il tessuto adiposo sottocutaneo. L’aspetto più innovativo, quindi, è sfruttare il grasso corporeo, presente in varie aree, evitando così impianti invasivi” spiega Controzzi.

In tema di intelligenza artificiale per la mano robotica, il gruppo della Sant’Anna da lui coordinato si occuperà, in particolare, dello sviluppo e dell’ottimizzazione della protesi della mano sensorizzata. Lavorerà in stretta collaborazione con la Uppsala University, in Svezia, – che svilupperà la pelle sensorizzata – e con la Fondazione LINKS che si occuperà, tra l’altro, del sistema di encoding/decoding.

L’Ateneo pisano vanta una grande tradizione a proposito di arti artificiali, lavorando da tempo in particolare a protesi di mano che permettano di fornire informazioni tattili più naturali ed efficaci.

Intelligenza artificiale per la mano robotica: come entra in gioco l’AI

Parlare di innovazione tecnologica in questo progetto è riduttivo. Lo evidenzia il team della Fondazione LINKS, che ha il compito – in estrema sintesi – di combinare tecniche di intelligenza artificiale per la mano robotica.

Il ruolo principale dell’AI è tradurre i segnali motori del cervello in comandi specifici per la protesi e, viceversa, tradurre i segnali elettrici generati dai sensori tattili e dalla mano stessa, in stimoli per la corteccia cerebrale che siano in grado di riprodurre i processi di propriocezione della mano.

Gli algoritmi che permetteranno la corretta traduzione di questi segnali beneficeranno delle conoscenze acquisite all’interno del consorzio nel campo delle neuroscienze e delle competenze di LINKS nel campo del supercomputing, che consentiranno di addestrare questi algoritmi complessi grazie a dati ottenuti in precedenza da primati, su un’infrastruttura ad altissime prestazioni messa a disposizione da un centro di calcolo in Repubblica Ceca.

Gli scienziati coinvolti nel progetto B-CRATOS lavoreranno, in particolare alla progettazione di una connessione bi-direzionale tra arto bionico e cervello in grado sia di trasmettere con i segnali motori corticali per controllare l’arto robotico, abbattendo il rumore del segnale e riducendo notevolmente la latenza sia di trasmettere le informazioni sensoriali verso la corteccia sensoriale in modo da aumentare la percezione dell’arto bionico come proprio.

Per questo, si prevede di sviluppare un sistema di comunicazione simultanea a due vie a bassissimi consumi (ma ad alto data rate) in grado di trasmettere microonde attraverso lo strato di grasso adiposo della persona.

Lo sviluppo delle antenne per la comunicazione intra-corporea verrà curato da LINKS e beneficerà di algoritmi di ottimizzazione che permetteranno di automatizzare il design delle antenne stesse per massimizzarne la performance.

Comunicazione intra-corporea wireless

L’importanza del progetto la mettono in luce gli stessi membri del team torinese:

“Per la prima volta nella storia, utilizzeremo un sistema di comunicazione intra-corporea full duplex ad alta larghezza di banda senza batteria per il collegamento tra due diverse cortecce (somatosensoriale e motoria) del cervello e un’estremità artificiale. Perché questo è importante? Attraverso questo progetto saremo in grado di bypassare completamente il percorso neurale, e, di conseguenza, il midollo spinale. Questo sarà un punto di svolta non solo nello sviluppo di protesi cerebrali controllate ma anche nel trattamento di pazienti paralitici e paraplegici”

raccontano Marco Bazzani, Rossella Gaffoglio, Giorgio Giordanengo, Guido Pagana, Alberto Scionti, Olivier Terzo, Chiara Vercellino, Giacomo Vitali e Paolo Viviani.

Il consorzio, inoltre, svilupperà sensori tattili bioispirati che possono eguagliare le prestazioni di uno degli organi naturali più versatili e più grandi: la pelle.

Sempre dal punto di vista dell’impiego dell’intelligenza artificiale per la mano robotica, la sfida sarà sviluppare algoritmi in grado sia di fondere gli stimoli motori e sensoriali ricevuti dalla protesi e dalla pelle artificiale, e codificarli in modo che il cervello sia in grado di interpretarli correttamente, restituendo le capacità di propriocezione tramite l’arto protesico. “Tutto questo deve essere fatto in tempo reale, e con una potenza computazionale (ed elettrica) estremamente limitata. Ancora più limitata, per esempio, di quella disponibile in uno smartphone”.

Intelligenza artificiale per la mano robotica: le frontiere aperte dalla ricerca

Detto questo, quali esiti e opportunità apre il progetto B-CRATOS? Quali frontiere della ricerca intende esplorare non solo per combinare intelligenza artificiale a una mano robotica? “L’evoluzione degli impianti cerebrali, degli algoritmi di deep learning e AI e i sistemi di sensori e neuromodulazione hanno espanso in modo significativo le possibilità di recupero di funzionalità perse o di aree danneggiate (neuroprotesi)” spiegano Marco Bazzani e gli altri membri del team.

La modulazione diretta della funzione organica tramite circuiti elettrici potrà gradualmente rimpiazzare i farmaci convenzionali per determinate applicazioni. Per consentire lo sfruttamento delle sinergie tra cervello e macchine per la cura e il controllo del corpo, così come per l’utilizzo di tecnologie immersive e per il gaming, sono necessarie connessioni dirette cervello-macchina e cervello-organo con circuiti chiusi di feedback.

Finora, queste connessioni hanno utilizzato cavi e connettori percutanei che inducono rischi di infezione e non permettono l’operatività continua, oppure metodi tradizionali di sensoristica e telemetria con scarsa capacità di trasmissione e uso importante di batterie, che ne limitano la capacità di elaborazione e la longevità.

Queste limitazioni impattano la capacità di ri-apprendimento tramite plasticità necessaria per il recupero completo delle funzioni motorie e propriocettive. In questo contesto, una delle chiavi per realizzare connessioni dirette cervello-macchina-organo è un collegamento wireless intra-corporeo, a banda larga, in grado di fornire operatività continua senza interruzioni.

La portata della ricerca va quindi ben al di là della connessione col singolo arto: apre a potenzialità preziose perfino per pazienti con handicap motori notevoli, come pure per altri ambiti dell’healthcare, spaziando dall’installazione dei pace maker ai dispositivi intracutanei per il rilascio regolato di insulina per i diabetici.