L’emergenza causata dal Covid-19 ha aperto un interrogativo cruciale per il futuro dell’umanità: quali sono gli strumenti più efficaci per combattere le epidemie e per garantire la funzionalità del sistema sanitario e la salute dei suoi operatori? Ormai è chiaro che nessun paese del mondo potrà essere considerato immune da questa emergenza e, proprio per questo motivo, serve uno sforzo globale per rompere le catene della trasmissione del virus. È in questo scenario che la robotica può diventare il mezzo per nuove soluzioni che, attraverso la cooperazione tra persona umana e robot, sono in grado di fornire risposte concrete per contrastare l’emergenza sanitaria e sociale che deriva da eventi pandemici, e il cui impatto è sotto gli occhi di tutti.
In questo contesto, alcune risposte arrivano dallo studio COVID-19 — The role of robotics in managing public health and infectious diseases pubblicato come Editoriale sulla rivista Science Robotics che propone una nuova prospettiva. Tredici studiosi di robotica di fama internazionale – tra i quali il Prof. Paolo Dario, docente dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e delegato della rettrice Sabina Nuti alla terza missione – spiegano come la robotica può combattere non soltanto il Covid-19, ma anche altri virus (ed emergenze) che potrebbero ripresentarsi in un futuro anche non lontano.

In frangenti complessi come quelli di un’epidemia, la robotica può rivelarsi utilissima in almeno tre ambiti strategici: assistenza clinica (per esempio, nella telemedicina e nella decontaminazione); logistica (per esempio, nella gestione dei rifiuti, anche contaminati), sicurezza (per esempio, per il controllo su chi è chiamato a rispettare le quarantene volontarie). La pandemia dovuta al Covid-19 ne ha introdotto un altro: la continuità del lavoro e il mantenimento delle funzioni sociali ed economiche anche in situazioni di grave emergenza.
Per ognuno di questi ambiti, la robotica offre soluzioni innovative. Se ci si concentra per esempio, sul primo ambito, l’assistenza clinica, che appare il problema più stringente in questo periodo, la robotica può intervenire in aree specifiche quali la prevenzione, la diagnosi e lo screening, oltre che nella cura del paziente.
Nei giorni dell’epidemia, è palese lo sforzo esemplare di medici, infermieri e operatori sanitari impegnati in prima linea nel contrastare l’emergenza e che spesso sono costretti a lavorare senza adeguate misure di sicurezza. Questa situazione comporta il rischio, purtroppo confermato dai fatti, di contagio e di ulteriore diffusione del virus. La presenza di sistemi robotici in supporto agli operatori umani può essere un gran vantaggio: i robot, non temendo il virus e le sue conseguenze, possono ridurre i rischi e il carico di lavoro del personale, svolgendo alcuni compiti semplici ma gravosi.

In Cina, nel corso della battaglia che è stata combattuta a tutto campo contro la diffusione del COVID-19, sono già state sperimentate applicazioni in cui dei robot svolgono compiti di ausilio all’uomo, come ad esempio lo screening mediante termometri o telecamere a infrarossi, la disinfezione di superfici, la consegna di pasti e medicine a persone anziane o in isolamento. In Spagna, per combattere l’emergenza, sono in corso di impiego robot per accelerare gli esami di laboratorio sui tamponi. Tutto questo non va a sostituire il lavoro umano, ma a integrarlo, consentendo al personale medico, paramedico e socio-sanitario di concentrarsi su compiti più delicati e impegnativi, oltre a ridurre molti dei rischi che altrimenti correrebbe.
Bisogna inoltre sottolineare che i robot non soltanto processano informazioni e dati, ma sono soprattutto macchine capaci di agire, muoversi, manipolare, sollevare pesi, trasportare, e molto altro. È questo che serve in possibili analoghe emergenze future o, semplicemente, per razionalizzare molti servizi sanitari, in modo da ottimizzare l’uso delle risorse umane e finanziarie, migliorando nel contempo la qualità e l’efficacia di alcuni di questi servizi. Una sfida nevralgica, quindi, per costruire – insieme, ovviamente, alla ricerca biologica e medica – una società del futuro più sicura e meno soggetta ai rischi che porranno possibili pandemie future, in cui l’Italia è pronta a svolgere un ruolo centrale grazie alle idee e al lavoro di molti scienziati che hanno permesso al nostro Paese di essere riconosciuto come uno dei leader mondiali della robotica.

Secondo il Prof. Paolo Dario “la situazione drammatica che stiamo vivendo rende evidente, e ci deve far riflettere su quanto operazioni svolte o assistite dai robot potrebbero essere utili. Si tratta di agire e di mettere in azione tutto quello che nel nostro Paese, ma anche in Europa, è stato fatto e preparato: eccellenza nella ricerca e nella formazione di giovani ricercatori; applicazioni di avanguardia; industrie attive e presenti sul mercato; una comunità vasta, interconnessa a livello nazionale e internazionale, e fortemente motivata a intervenire. Più che mai in questo momento la ricerca scientifica, la formazione di qualità e la capacità di tradurre tutto questo in applicazioni si dimostrano asset fondamentali, e la Scuola Superiore Sant’Anna è impegnata con tutte le sue risorse per garantire il proprio contributo. Come è pronto a fare l’intero sistema delle Università e delle istituzioni di ricerca italiane. In particolare noi assieme a molti colleghi e a gruppi italiani di grandissima qualità e di elevata reputazione internazionale in robotica, portiamo avanti questa visione e questa strategia da oltre 30 anni.”

Gli autori dello studio Combating COVID-19 — The role of robotics in managing public health and infectious diseases sono:
Guang-Zhong Yang, Institute for Medical Robotics – Shanghai Jiao Tong University;
Bradley Nelson, Robotics and Intelligent Systems – ETH Zurich;
Robin R. Murphy, Computer Science and Engineering – Texas A&M University;
Henrik Christensen, Contextual Robotics Institute, Jacobs School of Engineering – University of California San Diego;
Steven Collins, Department of Mechanical Engineering – Stanford University;
Paolo Dario, Istituto di BioRobotica – Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa;
Ken Goldberg, Industrial Engineering and Operations Research – University of California, Berkeley;
Koji Ikuta, Graduate School of Information Science and Technology – University of Tokyo;
Neil Jacobstein, Artificial Intelligence and Robotics – Singularity University, NASA Research Park;
Danica Kragic, School of Electrical Engineering and Computer Science – Royal Institute of Technology, Stockholm;
Russell H. Taylor, Laboratory for Computational Sensing and Robotics – Johns Hopkins University, Baltimore;
Marcia McNutt, National Academy of Science – National Research Council, Washington;
Howie Choset, Computer Science – Carnegie Mellon University, Pittsburgh.

Testo redatto su fonte Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa del 25 marzo 2020
Per approfondimenti: Combating COVID-19 — The role of robotics in managing public health and infectious diseases, DOI: 10.1126/scirobotics.abb5589 – Science Robotics | 25.03.2020
Image credit: Stäubli International AG

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Con l’obiettivo di realizzare un primo prototipo di muscolo artificiale, un team di ricercatori, con competenze in Chimica dei Materiali, Ottica, Fisiologia e Medicina Sperimentale, è riuscito a sviluppare dei materiali innovativi che, capaci di contrarsi se stimolati con la luce, sono stati implementati in modo da mimare la contrazione del muscolo cardiaco.
La ricerca ha dimostrato che questi materiali foto-responsivi sono potenzialmente in grado di aumentare la performance contrattile del cuore umano, poiché sono capaci di riprodurne le proprietà meccaniche.
Lo studio, condotto da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO), dell’Università di Firenze e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare, o LENS (European Laboratory for Non-linear Spectroscopy), è stato pubblicato sulla rivista Circulation Research nell’articolo Development of Light-Responsive Liquid Crystalline Elastomers to Assist Cardiac.

Il team ha progettato e sintetizzato una vera e propria “palette” di cristalli liquidi elastomerici o LCEs (Liquid Crystalline Elastomers) capaci di contrarsi sotto una stimolazione luminosa. I materiali messi a punto sono stati caratterizzati meccanicamente come se fossero dei muscoli, con l’obbiettivo di identificare quelli con le proprietà più simili a quelle del cuore. Nello specifico è stato realizzato un materiale biocompatibile in grado di cambiare la forma in modo reversibile in risposta a un dato stimolo: questo consente di produrre livelli di forza paragonabili o superiori a quelli del muscolo nativo, replicandone le proprietà cinematiche.
Fino ad ora, tuttavia, la loro applicazione in biologia era limitata dai tempi di risposta lenti e da una modesta possibilità di modulare i livelli di tensione durante l’attivazione.

I risultati ottenuti con questa ricerca sono però andati oltre le aspettative, e si rivelano estremamente importanti nel contesto di numerose patologie cardiache, sia genetiche che acquisite, come ad esempio nel caso di un infarto massivo o in presenza di una cardiomiopatia. In queste situazioni il tessuto cardiaco viene irreversibilmente danneggiato e il cuore riduce la sua funzione di pompa. Nei casi più gravi, le alternative a disposizione sono quelle chirurgiche che però sono estremamente limitate e invasive, ed il trapianto cardiaco rimane l’unica soluzione a lungo termine.
È stato dimostrato come questi materiali, lavorando in sostituzione o accoppiati al muscolo danneggiato, potrebbero invece essere impiegati in futuro per assistere efficacemente la funzione contrattile di un cuore malato.

Benché essi siano stati sviluppati per assistere la contrazione cardiaca, le applicazioni della ricerca sono molteplici e riguardano diversi settori della medicina. A esempio, nel caso di distrofie muscolari, malattie neurodegenerative e lesioni spinali, il loro utilizzo può essere esteso per assistere la funzione compromessa dei muscoli scheletrico e liscio.

Testo redatto su fonte CNR del 24 maggio 2019
Per approfondimenti: Development of Light-Responsive Liquid Crystalline Elastomers to Assist Cardiac Contraction, DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.118.313889 – Circulation Research | 12.04.2019
Image credit: Circulation Research (2019), DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.118.313889

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Un team di ricercatori dell’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti del Consiglio nazionale delle Ricerche (CNR-ISASI) di Lecce e dell’Università del Salento, in collaborazione con l’Institute of Communication and Health di Lugano (Svizzera), ha dimostrato che i disturbi dello spettro autistico, o ASD (Autism Spectrum Disorders), possono essere finalmente quantificati dalle moderne tecniche di Visione Artificiale e Deep Learning.
Pubblicato sulla rivista Sensor nell’articolo Computational Assessment of Facial Expression Production in ASD Children, lo studio ha riguardato una lunga sperimentazione sul territorio salentino condotta nell’ambito del progetto PON Si-robotics.

The algorithmic pipeline. Image credit: Sensor (2018), DOI: 10.3390/s18113993

Mediante l’utilizzo di tecnologie a basso costo, come una fotocamera che consente di analizzare i fotogrammi del volto del bambino, misurandone in modo non invasivo i movimenti, i ricercatori hanno sviluppato una metodologia oggettiva che permette di misurare le abilità espressive del bambino autistico durante le fasi di riproduzione. Essa non si basa sulle classiche tecniche di riconoscimento automatico delle espressioni facciali, ma sull’analisi dei precursori delle emozioni, misurando la contrazione e distensione dei muscoli facciali attraverso l’individuazione e l’inseguimento di svariati punti fiduciali del volto. Questo aspetto è estremamente importante, perché permette di valutare le micro-espressioni, caratteristiche che spesso si ritrovano nei soggetti autistici ma che i normali software di riconoscimento facciale delle emozioni non sono in grado di cogliere (tanto più perché addestrati su soggetti a sviluppo normotipico in cui la riduzione delle espressioni facciali è molto marcata).

Durante le sessioni di riproduzione delle emozioni i ricercatori hanno inoltre osservato un aspetto molto importante, ovvero che l’essere umano ha difficoltà nel rilevare le variazioni espressive della parte alta del volto quando il soggetto osservato ha una produzione delle espressioni basata prevalentemente su un marcato movimento della bocca. È provato infatti che il sistema visivo biologico orienta subito l’attenzione verso la bocca quando questa si muove, perdendo di vista la parte alta del volto: questo può limitare la valutazione in particolare quando le espressioni facciali sono solo accennate nella parte alta del volto.
La tecnologia messa a punto è però in grado di cogliere i micro-spostamenti a livello di pixel che il sistema visivo umano non è in grado di percepire, un risultato importante per la valutazione oggettiva del disturbo autistico. La ricerca proseguirà utilizzando robot umanoidi dalle sembianze semplificate capaci di stimolare nel bambino la riproduzione delle emozioni.

Testo redatto su fonte CNR del 29 novembre 2018
Per approfondimenti: Computational Assessment of Facial Expression Production in ASD Children, DOI: 10.3390/s18113993 – Sensors | 16.11.2018
Image credit: National Institutes of Health (NIH)

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This article describes how the field of vision prostheses is currently being developed around the world to restore useful vision for people suffering from retinal degenerative diseases. The vision prosthesis system (VPS) maps visual images to electrical pulses and stimulates the surviving healthy parts in the retina of the eye, i.e. ganglion cells, using electric pulses applied through an electrode array. The retinal neurons send visual information to the brain. This article presents the design of a prototype vision prosthesis system which converts images/video into biphasic electric stimulation pulses for the excitation of electrodes simulated by an LED array. The proposed prototype laboratory model has been developed for the design of flexible high-resolution 1024-electrode VPS, using an embedded computer-based efficient control algorithm for better visual prediction. The prototype design for the VPS is verified visually through a video display on an LCD/LED array. The experimental results of VPS are enumerated for the test objects, such as, palm, human face and large font characters. The results were found to be satisfactory.

Epidural electrical stimulation (EES) of the spinal cord restores locomotion in animal models of spinal cord injury but is less effective in humans. Here we hypothesized that this interspecies discrepancy is due to interference between EES and proprioceptive information in humans. Computational simulations and preclinical and clinical experiments reveal that EES blocks a significant amount of proprioceptive input in humans, but not in rats. This transient deafferentation prevents modulation of reciprocal inhibitory networks involved in locomotion and reduces or abolishes the conscious perception of leg position. Consequently, continuous EES can only facilitate locomotion within a narrow range of stimulation parameters and is unable to provide meaningful locomotor improvements in humans without rehabilitation. Simulations showed that burst stimulation and spatiotemporal stimulation profiles mitigate the cancellation of proprioceptive information, enabling robust control over motor neuron activity. This demonstrates the importance of stimulation protocols that preserve proprioceptive information to facilitate walking with EES.

Biological electromagnetic fields arise throughout all tissue depths and types, and correlate with physiological processes and signalling in organs of the body. Most of the methods for monitoring these fields are either highly invasive or spatially coarse. Here, we show that implantable active coil-based transducers that are detectable via magnetic resonance imaging enable the remote sensing of biological fields. These devices consist of inductively coupled resonant circuits that change their properties in response to electrical or photonic cues, thereby modulating the local magnetic resonance imaging signal without the need for onboard power or wired connectivity. We discuss design parameters relevant to the construction of the transducers on millimetre and submillimetre scales, and demonstrate their in vivo functionality for measuring time-resolved bioluminescence in rodent brains. Biophysical sensing via microcircuits that leverage the capabilities of magnetic resonance imaging may enable a wide range of biological and biomedical applications.