Gli esoscheletri robotici basati sull’IA possono prevenire le lesioni muscoloscheletriche?

I progressi dell’intelligenza artificiale stanno influenzando la robotica applicata alla salute. L’integrazione di queste tecnologie offre nuove possibilità per i dispositivi di assistenza al movimento. Ecco come l’IA può rendere più pratico l’uso degli esoscheletri robotici e quali aspetti restano da sviluppare.

Perché l’uso quotidiano degli esoscheletri è ancora limitato?

Gli esoscheletri robotici sono studiati da decenni. Alcuni dispositivi sono già impiegati nella riabilitazione e in ambito industriale, ma l’uso quotidiano generalizzato resta limitato. Adattarli a persone, attività e ambienti diversi è ancora una sfida.

Le difficoltà riguardano sia l’hardware sia il software. Peso, autonomia, comfort e sicurezza sono importanti quanto il controllo dei movimenti. Un motore può assistere un’articolazione, ma stabilire quando e quanta assistenza fornire richiede una buona interpretazione del movimento umano.

Fonte: Ekso Bionics

Molti esoscheletri richiedono una calibrazione accurata e regolazioni specifiche per l’utilizzatore e per l’attività. Queste esigenze possono limitarne la versatilità e rendere più complesso l’impiego fuori dal laboratorio.

Realizzare esoscheletri più versatili

Gli sviluppatori hanno cercato di superare queste limitazioni con sistemi di controllo più adattabili. Alcuni riconoscono l’attività in corso e selezionano una modalità di assistenza. Un obiettivo della ricerca è ridurre la necessità di classificare ogni situazione e di regolare separatamente numerosi parametri.

Un nuovo approccio

Un gruppo di ingegneri meccanici della Georgia Tech, guidato da Aaron Young, ha sviluppato un approccio che si concentra sul movimento della persona anziché sulla classificazione dell’ambiente. Il lavoro propone un quadro di controllo unificato per esoscheletri che forniscono assistenza parziale al movimento.

Il risultato è un sistema di controllo per esoscheletri che, nelle condizioni studiate, non richiede una calibrazione individuale o l’addestramento dell’utilizzatore. Il sistema adatta automaticamente l’assistenza durante la camminata, la stazione eretta e il passaggio su scale o rampe. L’algoritmo, invece, è stato addestrato dai ricercatori prima dell’impiego.

La differenza umana

Un aspetto centrale del progetto è l’attenzione alle azioni e alla biomeccanica dell’utilizzatore. L’IA aiuta a stimare l’assistenza necessaria senza dover scegliere continuamente una modalità legata all’ambiente. Questo sviluppa conoscenze sulla fisiologia e sul controllo del movimento già presenti prima dell’IA.

Intelligenza artificiale

Il sistema impiega un algoritmo di apprendimento profondo per stimare le esigenze di assistenza a partire dal movimento. I dati di forza e di acquisizione del movimento raccolti in laboratorio servono ad addestrarlo; ciò non implica che l’uso quotidiano richieda lo stesso apparato di laboratorio. L’obiettivo è evitare cambi di modalità manuali tra le attività dimostrate.

Addestrare l’IA

Per addestrare l’algoritmo, gli ingegneri hanno raccolto un insieme di dati sperimentali. Partecipanti di generi e corporature diversi hanno indossato un esoscheletro motorizzato per l’anca durante varie attività. Questa varietà era importante per sviluppare un controllo applicabile a più utilizzatori.

I partecipanti hanno camminato a velocità diverse su piattaforme di forza, percorso scale regolabili in altezza e rampe in salita e in discesa. Sono state registrate anche le transizioni tra queste attività. Le piattaforme misuravano le forze esercitate, mentre le telecamere di acquisizione del movimento registravano la cinematica.

I dati sono stati utilizzati per addestrare l’algoritmo e descrivere il comportamento delle articolazioni durante le diverse attività. Il risultato è un controllore che si adatta al movimento dell’utilizzatore senza richiedere la classificazione esplicita di ogni compito.

Precedenti iniziative IA

Il laboratorio di Aaron Young studia anche altri impieghi della robotica assistiva. In progetti di riabilitazione pediatrica, gli esoscheletri vengono abbinati a sistemi di biofeedback e interfacce simili a videogiochi per aiutare bambini con paralisi cerebrale, lesioni cerebrali traumatiche o altri disturbi a migliorare la deambulazione. Si tratta di ricerca su esoscheletri e riabilitazione, non semplicemente di protesi commerciali.

Gli esoscheletri robotici migliorano la vita di chi vive con disabilità

Gli esoscheletri possono offrire benefici in determinate condizioni di disabilità e nei percorsi riabilitativi. Possono sostenere il movimento e facilitare esercizi ripetuti, ma l’idoneità dipende dalla persona e dal dispositivo. Non garantiscono a tutti una deambulazione autonoma o il recupero completo.

In ambito industriale, dispositivi di assistenza possono ridurre il carico fisico in alcune attività. Le possibili applicazioni comprendono la movimentazione di materiali e il supporto a lavori ripetitivi. La riduzione della fatica non equivale però automaticamente alla prevenzione di tutte le lesioni muscoloscheletriche.

Soluzioni innovative per recupero e riabilitazione

La robotica assistiva e riabilitativa continua a evolversi. L’IA può contribuire al controllo dei dispositivi, mentre altri strumenti digitali migliorano la personalizzazione e l’esperienza dell’utilizzatore. Gli esempi seguenti riguardano funzioni differenti e non dimostrano tutti la stessa capacità di assistenza motoria.

1. Limbitless Solutions

Limbitless Solutions è un’organizzazione senza scopo di lucro nata nel 2014 presso la University of Central Florida. Sviluppa protesi e strumenti di formazione per bambini con differenze degli arti. Tra i progetti descritti figura la personalizzazione estetica delle protesi mediante rivestimenti scelti dai bambini.

I bambini possono usare strumenti di generazione di immagini di Adobe (ADBE ) per esplorare motivi decorativi a partire da descrizioni testuali. Personaggi di videogiochi e film sono tra le fonti di ispirazione citate. Il progetto selezionato viene adattato a un rivestimento stampato in 3D, applicabile alla protesi. L’IA riguarda qui il design, non il controllo del movimento dell’arto.

Il lavoro descritto coinvolgeva anche bambini seguiti dall’Orlando Health Arnold Palmer Hospital for Children. La personalizzazione mira a favorire l’espressione di sé e una percezione più positiva della protesi. Queste osservazioni non sostituiscono una valutazione clinica degli effetti sul benessere.

2. ReWalk Robotics, operante con il nome Lifeward

LFWD Grafico dei prezzi

ReWalk Robotics, operante come Lifeward, offre tra i suoi prodotti ReStore, un esoscheletro morbido per la riabilitazione del cammino dopo un ictus. Il dispositivo ha ottenuto l’autorizzazione FDA nel 2019 ed è destinato all’impiego in strutture riabilitative sotto la supervisione di un terapista formato. Non è un esoscheletro personale destinato all’uso autonomo in qualsiasi ambiente.

Il dispositivo utilizza componenti tessili per contenere il peso e facilitare l’indossamento. La struttura morbida può migliorare il comfort e semplificare alcune operazioni di preparazione. Il tempo necessario e l’idoneità del paziente dipendono dalle procedure cliniche e dalle sue condizioni.

Il sistema permette al terapista di regolare l’assistenza durante gli esercizi di deambulazione. Le impostazioni devono rispettare le indicazioni d’uso del prodotto: ReStore non è destinato allo sport o a salire le scale. Le funzioni non vanno confuse con quelle di altri esoscheletri della stessa azienda.

Lifeward propone diversi dispositivi per mobilità e riabilitazione. Autorizzazioni FDA, marcatura CE e rimborsi dipendono dal singolo prodotto, dall’indicazione e dal Paese. L’autorizzazione alla commercializzazione non garantisce automaticamente la copertura assicurativa.

Applicazioni degli esoscheletri robotici con IA

Gli esoscheletri intelligenti sono studiati in più settori. Le esigenze cambiano a seconda che il dispositivo sia destinato alla riabilitazione, al lavoro o ad altri contesti. Ecco alcune applicazioni possibili.

Militare

Il settore militare studia da tempo gli esoscheletri, anche attraverso programmi finanziati dalla DARPA. Le ricerche esplorano come assistere il personale in compiti fisicamente impegnativi, tenendo conto di peso, autonomia e affidabilità.

Tra gli impieghi proposti figurano il trasporto di rifornimenti, gli spostamenti a piedi e il recupero di persone ferite. La loro utilità operativa dipende dalle prestazioni reali e dai vincoli dell’ambiente.

Industriale

La robotica industriale ha trasformato numerosi processi produttivi grazie alla precisione e alla ripetibilità. Sistemi di controllo più avanzati possono rendere i robot adattabili a una maggiore varietà di compiti. Ciò non significa che tutti i robot diventino autonomi o capaci di svolgere qualsiasi lavoro.

Aziende come Amazon (AMZN ) utilizzano robot nella logistica. In futuro, lavoratori assistiti da esoscheletri potrebbero collaborare con sistemi robotici più adattabili. I modelli linguistici come quelli alla base di ChatGPT possono facilitare alcune interfacce, ma la sicurezza fisica richiede sistemi di controllo specifici.

Viaggi nello spazio

Gli esoscheletri potrebbero aiutare gli astronauti in compiti di movimento o di esercizio fisico. La robotica ha già un ruolo importante nell’esplorazione spaziale e nella Stazione Spaziale Internazionale, ma questo non dimostra che ogni esoscheletro terrestre sia pronto per l’uso nello spazio.

La NASA e l’Institute for Human and Machine Cognition hanno sviluppato X1 nel 2012 a partire da tecnologie del progetto Robonaut 2. Il sistema è stato studiato sia per esercizi contro resistenza nello spazio sia per assistenza alla mobilità e riabilitazione sulla Terra. Non era limitato al recupero dopo interventi all’anca.

Esoscheletri intelligenti che migliorano la tua vita

Sollevare carichi o svolgere lavori faticosi illustra il possibile interesse degli esoscheletri. L’IA può contribuire a rendere l’assistenza più adattabile, ma la prevenzione degli infortuni e i benefici riabilitativi devono essere valutati per ogni dispositivo e situazione. I progressi della robotica assistiva meritano quindi attenzione insieme ai loro limiti pratici.

Scopri altri progetti blockchain interessanti qui.