___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ _____ ____ | \ | / \ | \ / \ | \ / \ | / |___/ | | | |___/ | | |___/ | | | \___ | \ | | | | \ | | | \ | | | \ |___/ _|_ \___/ | \ \___/ |___/ \___/ | ____/
Le ricerche riguardanti campi come la biologia, l'informatica,
l'ingegneria, hanno trovato un comune denominatore. Gli scienziati che
si occupano di queste discipline hanno scoperto un modo di unire gli
sforzi, applicando le loro conoscenze in ambiti di ricerca comuni. Lo
studio che ha unito discipline apparentemente così diverse tra loro,
prende il nome di "Biomorphic Robotics", un'area di ricerca molto
attiva negli ultimi anni. Lo scopo di questa disciplina è quello di
creare delle interfacce che permettano la comunicazione tra organismi
animali ed apparecchiature elettroniche. Quello della robotica
biomorfa, è un settore molto aperto ad applicazioni pratiche, dato
che, oltre a diverse università, anche enti privati e governativi,
cominciano ad organizzare conferenze e workshops che riguardano queste
tematiche.
La NASA, per esempio, già nell'agosto 2000, ha organizzato il
"Workshop on Biomorphic Robotics" a Pasadena, in California. Lo scopo
della conferenza era, sia quello di presentare una visione d'insieme
di ciò che si intende con robotica biomorfa, sia di stabilire una
collaborazione tra la NASA e altri istituti di ricerca, che di
definire in che modo possano essere sviluppati sistemi artificiali in
grado di emulare sistemi biologici.
I maggiori sforzi di chi ricerca in questo campo applicativo, sono
mirati da un lato a comprendere come avviene il meccanismo
dell'apprendimento e dell'adattamento, cercando di formalizzarlo e di
riprodurlo sul calcolatore, dall'altro a creare dispositivi in grado
sia di interpretare correttamente i segnali elettrici generati dal
cervello di un essere vivente, che di poterne inviare a sua volta,
modificando il comportamento del cervello stesso.
Studio di casi: creazione dell'interfaccia uomo-macchina:
Una comunicazione bilaterale tra il cervello di un essere vivente e un
elaboratore, è quanto è stato realizzato da un'equipe di scienziati
della Northwestern University Medical School di Chicago, dell'
Università di Genova e della University of Illinois di Chicago. Lo
scopo di questo studio è stato quello di comprendere i meccanismi
biologici che regolano l'apprendimento, per cercare di implementare
dei modelli matematici comprensibili da un elaboratore.
Per l'esperimento sono stati utilizzati una lampreda di mare ed un
robot, collegati da un complesso sistema di controllo in grado sia di
interpretare i segnali provenienti dal robot e tradurli in segnali
elettrici da inviare al cervello, che di tradurre i segnali celebrali
in comandi meccanici recepibili dal robot.
Gli studi si sono concentrati sull'area del cervello che controlla la
posizione del corpo del pesce mentre nuota. Questa zona celebrale ha
mostrato un comportamento adattativo; le connessioni sinaptiche,
infatti, si modificavano in base agli stimoli che il robot inviava. I
dati raccolti dall'osservazione dello scambio di segnali tra
l'organismo animale ed il robot, hanno permesso di formulare un
modello matematico sia del sistema di elaborazione e di controllo
interagente con l'organismo animale, sia del cervello della
lampreda. Simulazioni successive hanno confermato la bontà del modello
che è servito per l'implementazione sul calcolatore del sistema
adattativo. L'obiettivo è stato raggiunto: il modello implementato ha
mostrato un adattamento agli stimoli esterni, molto vicino a quello
dell'organismo biologico.
In applicazioni di questo tipo, un grosso ostacolo alla realizzazione
dell'esperimento è quello di riuscire a far interagire elementi
biologici con componenti elettroniche. Questo tipo di problemi sono
stati affrontati anche al dipartimento di neurofisica del Max Planck
Institute di Monaco. Il gruppo di scienziati guidati da Guenther Zeck
e Peter Fromherz ha lasciato sviluppare una rete neuronale su un chip
di silicio, utilizzando neuroni di lumaca. I risultati
dell'esperimento sono stati presentati sulla rivista americana
"Proceeding of the National Academy of Science" e rappresentano una
tappa fondamentale dell'ingegneria neuronica.
Lo scopo di queste ricerche è porre le basi per progettare protesi
artificiali che si possano ben integrare con il corpo umano. La scelta
dell'apparato neuronale della lumaca ha permesso, grazie alla sua
semplicità e alla grandezza dei neuroni, di ottenere funzioni
biologiche complete usando un numero relativamente ridotto di
neuroni. Il sistema di controllo che è servito da interfaccia tra i
neuroni ed il chip, ha permesso ai segnali elettrici di passare dal
sistema elettronico a quello biologico.
Il problema della traduzione dei segnali tra il componente elettronico
ed una rete neuronale è tanto più complesso, quanto più è evoluto
l'organismo che si considera. Diventa quindi fondamentale cercare di
ottenere risultati con animali che possano avvicinarsi il più
possibile allo stato di evoluzione dell'essere umano. Alla Duke
University, il dottor Miguel A.L. Nicolelis ha fatto un passo avanti
in questo senso identificando i segnali generati dal cervello di una
scimmia per muovere un braccio.
Nel laboratorio della Duke University hanno addestrato una scimmia
affinchè, alla vista di particolari segnali luminosi, muovesse un
joystick a destra o a sinistra, in base alla localizzazione della
luce. Una cuffia con alcuni sensori sulla testa della scimmia aveva il
compito di catturare le scariche elettriche provenienti dalla regione
del cervello che regola le funzioni motorie e di inviarle ad un
elaboratore. Dopo mesi di lavoro gli scienziati sono riusciti a
tradurre le scariche elettriche emesse dal cervello della scimmia in
istruzioni interpretabili da un braccio meccanico. Due modelli
matematici che operassero in tempo reale sono stati usati per
costruire due organi di controllo per comandare altrettanti bracci. I
sensori, questa volta, non venivano più diretti ad un elaboratore, ma
all'organo di controllo.
Quando la scimmia, alla vista del segnale luminoso, aveva mosso il
joystick in direzione del segnale, le due braccia meccaniche si erano
mosse istantaneamente nella stessa direzione, emulando il
comportamento della scimmia, evidenziando la corretta interpretazione
degli impulsi celebrali da parte dell'organo di controllo del braccio
meccanico.
Studio di casi: interfacce verso l'essere umano:
Come già accennato, diversi studi si stanno facendo anche nel senso
opposto: modificare o bypassare alcune zone dell'apparato nervoso o
celebrale malfunzionanti o disabilitate a causa di qualche trauma. Il
National Institute of Neurological Disorders and Stroke ha sviluppato
un dispositivo in grado di interfacciarsi direttamente con il sistema
nervoso per sostituire alcune funzioni in individui con
handicap. Recentemente ad un individuo cieco sono stati impiantati 38
microelettrodi nella parte di corteccia celebrale che regola la vista,
per un periodo di tre mesi.
Durante questo periodo questa persona è stata in grado di vedere e di
descrivere le prospettive visuali ottenute dagli stimoli
elettrici. Questo risultato è stato ottenuto bypassando gli organi
sensoriali del paziente con opportune apparecchiature elettroniche;
queste consistono in un gruppo di moduli sensore/attuatore, cioè in
grado sia di ricevere informazioni dall'individuo in cui sono stati
inseriti, sia di agire su di esso e sul suo sistema nervoso. Gli
elettrodi vengono controllati da un computer che trasmette gli stimoli
con la corretta frequenza.
Nonostante il risultato portentoso, quello che blocca il vero sviluppo
di questo tipo di studi è il fatto che non si riesca ancora a creare
stimolatori (un computer in questo caso) sufficientemente piccoli da
rendere il paziente realmente autonomo tramite dei dispositivi
sottocutanei.
Un altro caso di successo in questo campo di ricerca e che coinvolge
direttamente l'essere umano, si è verificato a Phoenix, in Arizona.
L'esperimento è stato portato avanti dalla Arizona State University e
dal Good Samaritan Regional Medical Center e consiste nell'aiutare una
persona paralizzata a camminare mediante un elettrostimolatore che
invia segnali ad alcuni elettrodi inseriti nella spina dorsale del
paziente. In questo caso è stato anche necessario un periodo di
allenamento da parte del paziente prima del trattamento, per
rinforzare la parte superiore del corpo e riuscire a muovere dei passi
mediante un deambulatore.
Dopo cinque mesi di allenamento il paziente riusciva a muovere qualche
passo con l'aiuto del deambulatore, appoggiandosi e facendo perno su
di esso. Dopo l'operazione il paziente era in grado di camminare,
ancora con l'ausilio del deambulatore, ma senza più dover trascinare
le gambe facendo perno e ad una discreta velocità di 25,4 cm/s.
Mediante un apparato di controllo il paziente poteva anche regolare la
frequenza, la durata, l'ampiezza ed il tempo ottimali di ogni impulso
elettrico per rendere la camminata più naturale.
L'obiettivo dell'equipe di scienziati è quello di poter far camminare
tutte le persone con gravi lesioni alla colonna vertebrale tramite il
deambulatore e lo stimolatore. Il paziente che è stato sottoposto
all'esperimento, ha dichiarato di sentire le gambe molto più leggere
rispetto a prima dell'operazione e di riuscire a camminare due volte
più veloce con la metà dello sforzo.
Per poter usare il particolare tipo di stimolatore in questa
applicazione, i ricercatori hanno fatto una petizione al Food and Drug
Administation affinchè approvasse il tipo di apparecchio.
Evoluzioni future:
Anche in questo caso il problema da superare per poter applicare in
modo sistematico i risultati ottenuti con queste scoperte è quello di
riuscire a miniaturizzare i componenti elettronici stimolanti, in modo
da non far dipendere il paziente da apparecchiature e stimolatori
esterni. Un altro ostacolo da superare in determinate applicazioni,
come nel caso dell'interfaccia che permetteva ad un essere vivente di
controllare un braccio meccanico mediante impulsi celebrali, è quello
di avere sistemi veloci, in grado di elaborare i segnali molto
rapidamente, cioè sistemi in tempo reale, capaci di rendere la
comunicazione organismo/macchina quasi istantanea.
Questi problemi coinvolgono soprattutto gli ingegneri elettronici, che
con l'avvento delle nanotecnologie saranno in grado di dare supporto
fisico a questi risultati sperimentali, progettando apparecchiature ad
hoc, ed ingegneri e ricercatori del ramo di robotica e intelligenza
artificiale, in grado di fornire la logica necessaria per rendere
questi sistemi più efficienti e in grado di avere una sempre maggiore
interazione con l'essere umano.