Protesi mioelettrica

La protesi mioelettrica Bebionic pesa tra i 400 e i 600 grammi, quasi lo stesso peso di una mano naturale. È controllata da piccoli segnali elettrici del corpo. Questi sono generati da contrazioni muscolari e possono essere misurati tramite elettrodi sulla pelle, analogamente al funzionamento di un elettrocardiogramma per una diagnosi cardiaca. Due elettrodi integrati nello stelo della protesi rilevano i segnali mioelettrici inoltrandoli all’elettronica di controllo. I segnali vengono amplificati e utilizzati per attivare i cinque piccoli motori elettrici (uno per ogni dito), che fanno muovere le dita e il pollice: così la mano si apre e si chiude. In definitiva, è la forza della contrazione muscolare a controllare la velocità e l'intensità della presa: un segnale debole produrrà un movimento lento, mentre un segnale forte produrrà un movimento rapido.

I muscoli usati per aprire e chiudere la protesi della mano sono gli stessi utilizzati per muovere il polso in una mano naturale. Chi indossa la protesi dovrà imparare che ora il suo polso avrà una funzione diversa. «Il cervello umano ha un'incredibile capacità di adattamento. Dopo un breve lasso di tempo, si tende ad effettuare il movimento in maniera intuitiva come quando si appoggia il piede sul freno per frenare l'auto», sostiene Ted Varley, Direttore tecnico della Steeper.

La prima mano mioelettrica è stata immessa sul mercato all'inizio degli anni '80. Era movimentata da un singolo motore e disponeva di un meccanismo di presa semplicissimo: pollice, indice e medio potevano essere chiusi per simulare la presa a pizzico. Anulare e mignolo erano presenti esclusivamente per ragioni estetiche e non consentivano alcuna presa. Circa dieci anni fa, questo concetto è stato rivisto completamente per la mano Bebionic. «Abbiamo constatato che si è disposti ad accettare un'intensità di presa inferiore per ogni dito in cambio di una maggior flessibilità», spiega Ted Varley. Per controllare singolarmente le dita, ogni dito della mano Bebionic è dotato di un proprio motore elettrico. I quattro piccoli motori C.C. delle dita sono situati nel palmo della mano, mentre il quinto si trova nel pollice stesso. Gli encoder sono integrati nei motori per rilevare in ogni momento la posizione precisa delle dita.

Grazie al controllo individuale, le dita possono essere posizionate in ben 14 schemi di presa differenti. Con l'impugnatura a chiave, che movimenta il pollice su e giù con le dita flesse, è possibile tenere oggetti di conformazione piatta come piatti, chiavi o tessere bancomat. Con l'impugnatura a gancio possono essere trasportati carichi pesanti fino a 25 kg, mentre con l'indice teso si possono usare tastiere e telecomandi. Con la presa di forza, il pollice si trova in posizione opposta rispetto alle altre dita, che si chiudono fino a incontrare una resistenza. Con questa presa è possibile afferrare oggetti di forma irregolare come i calici da vino. «Questa posizione appare molto più naturale rispetto alla presa a pizzico. Inoltre, la presa è anche più stabile se si usano tutte le dita», sottolinea Varley.

La mano bionica semplifica molte delle attività di tutti i giorni. «In effetti, spesso la protesi aiuta a semplificare proprio le piccole cose. Ma se messe insieme, queste aiutano a migliorare di molto la qualità della vita», spiega Ted Varley. Inoltre, la mano artificiale produce anche un effetto psicologico: «Molti utenti riferiscono di aver acquisito una maggiore autostima grazie a Bebionic poiché questa loro protesi high-tech suscita sempre più interesse e curiosità».

A questo proposito, il design accattivante della protesi rappresenta un altro punto a favore. «Nel progettare la terza generazione di Bebionic, abbiamo adottato un approccio piuttosto inusuale: prima abbiamo creato la parte esterna e poi abbiamo cercato soluzioni su come integrare i vari componenti», ricorda Varley. «Cinque anni fa non sarebbe stato possibile perché la mano è troppo piccola e la tecnologia non era abbastanza avanzata». I piccoli motori C.C. della serie 1024 SR destinati a quest'applicazione erano ancora in fase di sviluppo quando la Steeper si è rivolta a FAULHABER col suo progetto nel 2013. I progettisti di entrambe le aziende hanno quindi velocizzato allo stesso tempo lo sviluppo del motore C.C. e quello della protesi della mano. Si sono tenute riunioni regolari tra i team di sviluppo della STEEPER e della FAULHABER sia in Gran Bretagna che in Svizzera,  con la prensenza anche degli intermediari e del partner commerciale esclusivo della FAULHABER in Gran Bretagna Electro Mechanical Systems (EMS). Grazie a quest’intensa collaborazione si è arrivati a un motore con un rapporto eccezionale tra volume e potenza e un azionamento realizzato su misura per il pollice, che ha portato la sinergia a concludersi nel migliore dei modi.

Il nuovo motore C.C. della serie 1024 SR è in realtà il primo della classe, oltre che il più potente sul mercato a parità di dimensioni. Con un diametro di 10 mm e una lunghezza di 24 mm, fornisce una coppia di stallo di 4,6 mNm e offre una coppia elevata costante lungo tutta la gamma di velocità grazie a una curva caratteristica velocità/coppia piatta. Le elevate prestazioni sono rese possibili, tra l’altro, dal nuovo design della bobina, che contiene il 60% di rame in più rispetto al suo predecessore ed è ora abbinata a un potente magnete in terre rare. Per rendere il movimento il più silenzioso possibile, la mano artificiale impiega dei riduttori planetari realizzati su misura della serie 10/1. «Una sfida significativa è stata sviluppare il sistema di azionamento lineare da integrare nel pollice», dice Tiziano Bordonzotti, Sales Engineer di FAULHABER MINIMOTOR. Grazie a cuscinetti di alta precisione a 4 punti di contatto della filiale di FAULHABER Micro Precision Systems (MPS), è stato possibile realizzare un azionamento notevolmente più corto rispetto alla concorrenza. Grazie alle sue caratteristiche uniche, il cuscinetto a 4 punti di contatto è in grado di sopportare le elevate forze assiali richieste dall'applicazione in questione, pur avendo dimensioni inferiori rispetto ai sistemi di cuscinetti alternativi. L’intero azionamento del pollice è in grado di resistere a una forza assiale fino a 300 N con una lunghezza totale di meno di 49 mm.

Ted Varley è entusiasta del risultato della collaborazione: «La mano Bebionic della taglia S è la protesi di mano mioelettrica più realistica sul mercato. Questo progetto non sarebbe stato realizzabile senza la stretta collaborazione con l’affidabile e professionale team di progettisti di FAULHABER».