Soft robotics: come la robotica morbida sta cambiando la medicina

Da strumenti chirurgici flessibili e i sistemi sperimentali con cui si cerca di riprodurre gli organi a piccoli robot flessibili che possono trasportare farmaci o prelevare campioni, la soft robotics è un settore della robotica in cui si utilizzano materiali flessibili e deformabili per realizzare dispositivi in grado di adattarsi al corpo umano e interagire con i tessuti in modo più sicuro rispetto ad alcuni sistemi precedenti. Alcune tecnologie sono già impiegate nella pratica clinica, mentre altre sono ancora allo studio, ma potrebbero portare importanti avanzamenti per la cura e la riabilitazione di diverse malattie.

L’idea della “soft robotics”, ovvero di dispositivi formati in tutto o in parte da materiali o strutture deformabili, è nata alla fine degli anni Cinquanta. Il fisico Joseph L. McKibben progettò un muscolo pneumatico per aiutare la figlia Karan, rimasta con le mani paralizzate a causa della poliomielite. Si trattava di un tubo elastico avvolto da una rete di fili intrecciati: quando il gas lo gonfiava, si accorciava invece di allungarsi. Con i medici e i tecnici del Rancho Los Amigos, un centro di riabilitazione californiano, McKibben aveva collegato il tubo a un supporto rigido, e con tale strumento le dita paralizzate della figlia erano aiutate ad avvicinarsi al pollice.

Tuttavia, come hanno mostrato gli ingegneri Ritu Raman e Cecilia Laschi in una recente analisi sull’evoluzione della soft robotics in medicina, pubblicata su Device, la maggior parte degli sviluppi è avvenuta nell’ultima ventina d’anni. Alcune tecnologie sono già in uso o in sperimentazione negli esseri umani e molte altre sono state valutate su altre specie animali o sono ancora i primi stadi di sviluppo. 

Tante possono sembrare uscite da un libro di fantascienza.

Un esempio di strumento di questo tipo è ReStore, un dispositivo indossabile per favorire la riabilitazione di persone colpite da ictus che hanno sviluppato emiparesi, cioè una perdita di forza e di controllo in una metà del corpo. Lo strumento è formato da una cintura dotata di un motore alimentato da una batteria, un gambale di tessuto e una soletta sotto il piede dell’arto interessato. Due cavi inseriti in guaine flessibili simili a quelle dei freni delle biciclette attraversano il gambale e arrivano alla soletta. Quando il motore mette in tensione uno dei cavi, la soletta solleva il tallone o la punta del piede. Il sistema riconosce le fasi del passo grazie a sensori fissati alle scarpe, mentre altri sensori misurano le forze applicate dai cavi. Un algoritmo, inoltre, stabilisce quando intervenire e con quale intensità, mentre il fisioterapista può regolare il livello di assistenza da offrire ai pazienti. In alcuni, per esempio, la caviglia non produce abbastanza spinta alla fine dell’appoggio, mentre in altri il piede rimane abbassato mentre la gamba oscilla in avanti. Il dispositivo aggiunge la forza che manca senza però sostituirsi completamente al movimento della persona.

Idee analoghe sono alla base di strumenti simili per la riabilitazione della mano e in Italia, per esempio, alcuni centri utilizzano guanti che aiutano i pazienti a flettere ed estendere le dita dopo un ictus o altre lesioni neurologiche. E sono molti altri gli strumenti simili in sviluppo o sperimentazione.

Strumenti di soft robotics sono già utilizzati nella chirurgia mininvasiva, dove permettono di operare, per esempio, attraverso un orifizio del corpo o un piccolo taglio. In molti interventi il chirurgo introduce un tubo sottile con una telecamera e piccoli strumenti. La robotica morbida permette, infatti, di costruire sonde manovrabili in grado di compiere curve strette e raggiungere zone inaccessibili ai laparoscopi e agli endoscopi tradizionali.

Nel 2015 la Food and Drug Administration (FDA), l’ente statunitense di regolazione delle terapie, ha autorizzato Flex System. Si tratta di un dispositivo per la chirurgia della bocca, in cui la parte che entra nel cavo orale è formata da piccoli elementi rigidi in materiale plastico, articolati tra loro come vertebre. Al loro interno passano cavi collegati a motori controllati dal chirurgo con un comando simile a un joystick: tirando alcuni cavi e rilasciandone altri, la punta si piega nella direzione scelta. Raggiunta la zona da operare, i cavi vengono messi in tensione e il tubo diventa semirigido, così da restare fermo. Vi è poi una telecamera che mostra ciò che si trova davanti alla punta e due canali con cui vengono inseriti nella bocca gli strumenti per operare.

Tra i sistemi già utilizzati c’è anche Ion, autorizzato dalla FDA nel 2019 per raggiungere piccoli noduli sospetti nelle zone più esterne dei polmoni e prelevare un campione di tessuto. Il medico introduce dalla bocca un catetere flessibile largo 3,5 millimetri. Una mappa tridimensionale dei polmoni ricavata dalla tomografia permette di guidarlo tra le ramificazioni dei bronchi. Una fibra ottica nella parete del tubo ne registra le curvature, consentendo al sistema di ricostruire in ogni momento la posizione. Raggiunto il nodulo, la telecamera viene ritirata e nello stesso canale passa l’ago per la biopsia.

La soft robotics può anche riprodurre la forma e i movimenti di un organo. In tal caso si tratta di simulatori che permettono di osservare il funzionamento di un organo e di provare materiali o dispositivi senza intervenire su una persona.

Un simulatore dell’apparato respiratorio realizzato al Massachussetts Institute of Technology (MIT), per esempio, è formato da due vani che rappresentano il torace e l’addome, separati da una membrana modellata sulla forma del diaframma. Nel vano del torace sono collocati polmoni di maiale conservati in una soluzione che ne mantiene l’elasticità, mentre in quello dell’addome si trovano i muscoli pneumatici che azionano il diaframma artificiale. Quando i muscoli si accorciano, tirano il diaframma verso il basso e di conseguenza la pressione nel vano del torace diminuisce e i polmoni si riempiono d’aria. Quando il diaframma risale, i polmoni espellono l’aria. Il simulatore può riprodurre diverse condizioni respiratorie e servire a sperimentare materiali o protesi.

Nel 2023 un altro gruppo del MIT ha invece costruito copie del cuore di alcuni pazienti, usando i dati di 15 persone con stenosi aortica, un restringimento della valvola da cui esce il sangue pompato dal cuore. I ricercatori hanno stampato in materiale flessibile una copia del ventricolo sinistro e dell’aorta. Hanno poi applicato intorno al ventricolo sintetico una fascia con cuscinetti gonfiabili: quando sono stati riempiti d’aria, hanno compresso il ventricolo dall’esterno, come una mano che schiaccia una pompetta, e spinto il liquido nell’aorta. Una seconda fascia ha ristretto la parete dell’aorta artificiale, simulando la stenosi. Regolando le due fasce, il sistema può riprodurre la pressione e il flusso sanguigno misurati nella persona. In questo modo i ricercatori possono provare diverse valvole artificiali e osservarne il funzionamento, con l’obiettivo di scegliere il dispositivo più adatto prima di un intervento.

In futuro macchine simili potrebbero essere usate per aiutare alcuni organi a funzionare. Nel 2022 un gruppo del MIT ha descritto un ventilatore robotico impiantabile, formato da due muscoli pneumatici collocati sopra il diaframma. Ogni muscolo segue la curva del diaframma ed è fissato alle due estremità alla gabbia toracica. Quando si accorcia, preme sul diaframma, spingendolo verso il basso. Il dispositivo è stato sperimentato in maiali sottoposti ad anestesia generale, mentre l’anestetico riduceva la quantità d’aria inspirata, simulando così una forma di insufficienza respiratoria. Un sensore collegato a un tubo inserito nella trachea misurava il flusso dell’aria: quando rilevava l’inizio dell’inspirazione, il sistema riempiva d’aria i muscoli pneumatici e ne sincronizzava la spinta con il respiro spontaneo dell’animale, aumentando la quantità d’aria inspirata.

Altri dispositivi impiantabili sono invece arrivati alle prime sperimentazioni cliniche, con esseri umani: una guaina pneumatica che aiuta il cuore a contrarsi è stata provata per brevi periodi durante interventi su pazienti con insufficienza cardiaca.

Tra le applicazioni più sperimentali ci sono i soft microrobot, dispositivi più piccoli di un millimetro, costruiti in tutto o in parte con materiali deformabili, come gel composti in gran parte di acqua e polimeri flessibili. Alcuni sono progettati per trasportare farmaci o cellule; altri per prelevare campioni o compiere piccole manovre sui tessuti.

Date le dimensioni è difficile integrare una batteria capace di alimentare tali dispositivi. L’energia viene quindi fornita dall’esterno, soprattutto mediante campi magnetici, ma anche con la luce o gli ultrasuoni. Una micro-pinza progettata per le biopsie, per esempio, può essere spostata grazie a un magnete. Viene conservata al freddo, in modo che resti aperta. Quando raggiunge la temperatura del corpo, il materiale di cui è fatta cambia forma e la pinza si chiude su un frammento di tessuto, che viene poi recuperato con il magnete.

Tuttavia, la maggior parte dei soft microrobot è ancora allo studio: alcuni sono stati provati soltanto in laboratorio, mentre altri hanno già raggiunto lo stadio della sperimentazione negli animali.

Nel settore più futuristico della soft robotics medica si studiano i robot bioibridi, che combinano una struttura artificiale con componenti biologiche più o meno grandi.

Alla scala più piccola si hanno enzimi e acidi nucleici, con l’obiettivo di produrre un movimento, un cambiamento di forma o la reazione a uno stimolo. Un esempio sono alcuni nanomotori alimentati da enzimi. In un esperimento, due enzimi sono stati racchiusi in minuscole vescicole di materiale polimerico, simili a sfere cave con una piccola apertura. In presenza di glucosio gli enzimi liberavano ossigeno che, uscendo dall’apertura, spingeva la vescicola nella direzione opposta, come un minuscolo motore a reazione. Sistemi di questo tipo potrebbero un giorno essere usati, per esempio, per il rilascio mirato dei farmaci (in inglese drug delivery).

Alla scala cellulare troviamo alcuni microrobot bioibridi autopropulsi. Microalghe, batteri o spermatozoi possono essere associati a componenti artificiali, come particelle magnetiche o che trasportano un farmaco. La componente vivente si muove e trascina con sé la parte artificiale. Per orientarne il movimento, talvolta i ricercatori sfruttano le risposte naturali della cellula: alcune microalghe, per esempio, nuotano verso una sorgente luminosa, mentre alcuni batteri si dirigono verso o si allontanano da zone con diverse concentrazioni di ossigeno o di altre sostanze. Quando sono presenti particelle magnetiche, il percorso può essere controllato più direttamente, applicando un campo magnetico. La spinta è quindi autonoma, mentre la direzione può essere influenzata dall’esterno. Microrobot di questo tipo sono studiati per portare farmaci o cellule dove servono. Nel caso degli spermatozoi, potrebbero anche essere guidati verso l’ovocita per facilitare la fecondazione assistita.

In alcuni robot bioibridi più grandi, cellule muscolari coltivate in laboratorio possono essere organizzate in un piccolo tessuto e collegate a una struttura artificiale deformabile. Contraendosi spontaneamente, come il tessuto cardiaco, oppure in risposta a impulsi elettrici, il muscolo può far piegare o muovere la struttura. Cambiando la forma del supporto e la disposizione delle cellule si possono invece ottenere dispositivi capaci di afferrare oggetti, pompare liquidi o di spostarsi. Oggi vengono usati soprattutto come sistemi sperimentali per osservare come un tessuto sano o malato produce forza o reagisce ai farmaci. In futuro il tessuto muscolare coltivato potrebbe diventare il motore di protesi e dispositivi indossabili o impiantabili.

Le sfide dei robot bioibridi

La materia vivente ha proprietà uniche, difficili da riprodurre interamente con materiali artificiali, per cui l’integrazione può essere auspicabile. Le cellule possono ricavare energia da molecole come il glucosio e reagire a segnali chimici, alla luce o alla temperatura. Quando sono organizzate in tessuti, possono in alcuni casi riparare piccoli danni. Le componenti biologiche possono inoltre essere meglio tollerate dall’organismo e degradarsi al termine del loro compito.

Per questo i robot bioibridi, della cui varietà abbiamo potuto dare qui soltanto un’idea, potrebbero aprire possibilità del tutto nuove in medicina. Diversi studi preclinici hanno prodotto risultati promettenti, per esempio contro il tumore della vescica, ma le prime sperimentazioni nei pazienti devono ancora cominciare.

La possibilità di imitare il funzionamento degli organi e operare in spazi difficili da raggiungere rende la robotica morbida una frontiera promettente della medicina. Ma non mancano criticità, come le difficoltà produttive, le sperimentazioni cliniche e i costi. La sfida dei prossimi anni sarà trasformare i prototipi oggi in sviluppo in strumenti clinici sicuri, efficaci e accessibili.