Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology ha compiuto un passo significativo verso la realizzazione di interfacce cervello-computer (BCI) realmente integrate nella vita quotidiana. La loro innovativa creazione consiste in un sensore cerebrale dotato di una microstruttura quasi impercettibile, progettato per essere inserito delicatamente nei minuscoli spazi interfollicolari del cuoio capelluto, posizionandosi leggermente al di sotto della superficie cutanea.
Questo sensore promette di rivoluzionare il campo delle BCI, offrendo segnali neurali ad alta fedeltà e aprendo la strada a un utilizzo continuativo e senza interruzioni di queste tecnologie di comunicazione diretta tra il cervello e il mondo esterno.
Interfacce cervello-computer: un ponte diretto tra mente e macchina
Le interfacce cervello-computer (BCI) rappresentano un paradigma tecnologico affascinante, in grado di stabilire un percorso di comunicazione diretto tra l’attività elettrica generata dal cervello e dispositivi esterni di varia natura. Tra questi dispositivi figurano gli elettroencefalografi (EEG), i computer, gli arti robotici e sofisticati sistemi di monitoraggio dell’attività cerebrale.
Attualmente, l’acquisizione dei segnali cerebrali avviene prevalentemente in modo non invasivo, attraverso l’applicazione di elettrodi sulla superficie del cuoio capelluto umano, con l’ausilio di un gel conduttivo che garantisce un’impedenza ottimale e la qualità dei dati registrati. Sebbene esistano metodologie di acquisizione del segnale più invasive, come gli impianti cerebrali, la ricerca attuale si concentra sullo sviluppo di sensori che siano al contempo semplici da posizionare e affidabili dal punto di vista produttivo, superando le limitazioni delle tecniche invasive.
Il professor Hong Yeo, titolare della cattedra Harris Saunders Jr. presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, ha sapientemente combinato le più recenti avanzate nel campo della tecnologia dei microaghi con la sua consolidata esperienza nel settore dei sensori indossabili. Questa sinergia di competenze ha reso possibile la creazione di un sistema in grado di rilevare in modo stabile i segnali cerebrali per periodi prolungati.
L’innovazione culmina in un nuovo sensore interfacce cervello-computer wireless, basato su microaghi indossabili e indolori, progettato per inserirsi delicatamente tra i follicoli piliferi del cuoio capelluto. Il posizionamento a livello cutaneo e le dimensioni estremamente ridotte di questa inedita interfaccia cerebrale wireless potrebbero offrire una serie di vantaggi significativi rispetto agli elettrodi tradizionali, siano essi a gel conduttivo o a secco, aprendo nuove prospettive per l’integrazione delle interfacce cervello-computer nella vita quotidiana.
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“Ho intrapreso questa linea di ricerca con l’obiettivo primario di sviluppare una tecnologia di sensori inedita, specificamente orientata al miglioramento dell’assistenza sanitaria. La mia pregressa esperienza nel campo delle interfacce cervello-computer e dell’elettronica flessibile applicata al cuoio capelluto ha rappresentato il punto di partenza di questo progetto”, ha dichiarato il professor Yeo, membro attivo della facoltà dell’Institute for People and Technology del Georgia Tech.
La sua motivazione nasce dalla chiara consapevolezza della necessità di superare i limiti delle attuali tecnologie BCI: “Ero convinto che fosse indispensabile sviluppare una tecnologia di sensori interfacce cervello-computer più avanzata. La mia intuizione è stata che, riuscendo a penetrare delicatamente lo strato superficiale della pelle ed evitando l’interferenza dei follicoli piliferi attraverso la miniaturizzazione del sensore, avremmo potuto incrementare significativamente la qualità del segnale neurale, avvicinandoci alla sua origine e minimizzando il rumore indesiderato che spesso affligge le registrazioni superficiali“.
Gli attuali sistemi di interfaccia cervello-computer sono spesso caratterizzati dalla presenza di componenti elettronici ingombranti e sensori rigidi, limitando significativamente la fruibilità di queste tecnologie durante le normali attività quotidiane e impedendo una reale integrazione nella vita dell’utente in movimento. Il professor Yeo e il suo team di ricerca hanno affrontato questa sfida progettando e realizzando un sensore microscopico specificamente concepito per l’acquisizione di segnali neurali.
La peculiarità di questo dispositivo risiede nella sua facilità d’uso e nella sua capacità di essere indossato comodamente durante le attività quotidiane, aprendo nuove e inesplorate potenzialità per l’applicazione delle interfacce cervello-computer in contesti reali. L’innovativa tecnologia sviluppata si basa sull’impiego di microaghi polimerici conduttivi, capaci di catturare i segnali elettrici generati dall’attività cerebrale e di trasmetterli attraverso sottili fili flessibili realizzati in poliimmide e rame. L’intero sistema è racchiuso in uno spazio incredibilmente ridotto, inferiore a un millimetro, garantendo una discrezione e una biocompatibilità senza precedenti.
Un test pilota promettente
Un rigoroso studio sperimentale condotto su un gruppo di sei individui volontari ha fornito una validazione significativa delle capacità innovative del sensore cerebrale sviluppato. Durante la sperimentazione, i partecipanti hanno utilizzato il dispositivo per interagire e controllare una videochiamata in realtà aumentata (AR). I risultati ottenuti hanno dimostrato una persistenza notevole nell’acquisizione di segnali neurali ad alta fedeltà, mantenutasi stabile per un periodo continuativo fino a dodici ore. Parallelamente, è stata riscontrata una resistenza elettrica estremamente bassa al punto di contatto tra la pelle del cuoio capelluto e il sensore microstrutturale, un fattore cruciale per garantire la qualità e l’affidabilità della trasmissione del segnale.
Un aspetto particolarmente rilevante emerso dallo studio è la capacità dei partecipanti di svolgere attività quotidiane in piena libertà di movimento durante l’utilizzo dell’interfaccia cervello-computer. Per la maggior parte delle ore diurne dedicate al test, i soggetti sono stati in grado di stare in piedi, camminare e persino correre, mentre il sistema interfacce cervello-computer registrava e classificava con successo i segnali neurali correlati alla loro attenzione visiva. La precisione con cui il sistema identificava lo stimolo visivo su cui l’utente si concentrava ha raggiunto un impressionante valore del 96,4%, evidenziando l’efficacia e l’accuratezza del sensore nel decodificare l’intenzione dell’utente.
Durante la fase di test, i partecipanti hanno dimostrato la capacità di interagire in modo intuitivo e a mani libere con un ambiente di realtà aumentata. Utilizzando unicamente i propri segnali cerebrali captati dal nuovo sensore di dimensioni ridotte, sono stati in grado di effettuare operazioni complesse come la ricerca di contatti telefonici all’interno dell’interfaccia AR, nonché l’avvio e l’accettazione di videochiamate. La capacità del sensore di interpretare gli stimoli visivi su cui si focalizzava l’attenzione dell’utente, garantendo al contempo la completa libertà di movimento, apre nuove prospettive per l’interazione uomo-macchina in contesti reali e dinamici.
Secondo le dichiarazioni del professor Yeo, i risultati promettenti ottenuti in questo studio pilota suggeriscono che il sistema interfacce cervello-computer indossabile sviluppato possiede il potenziale per consentire un’attività di interfaccia pratica e continuativa. Questa capacità potrebbe rappresentare un punto di svolta cruciale, aprendo la strada a un’integrazione più fluida e naturale della tecnologia uomo-macchina nella vita quotidiana, con implicazioni significative in svariati ambiti applicativi.
Il professor Yeo ha inoltre sottolineato l’importanza fondamentale della collaborazione scientifica per affrontare le complessità del mondo contemporaneo: “Credo fermamente nel potere della collaborazione, poiché molte delle sfide odierne sono troppo complesse per essere risolte da una sola persona. Pertanto, vorrei esprimere la mia gratitudine a tutti i ricercatori del mio gruppo e agli straordinari collaboratori che hanno reso possibile questo lavoro“.
Guardando al futuro, l’impegno del professor Yeo e del suo team rimane focalizzato sull’ulteriore sviluppo e miglioramento della tecnologia interfacce cervello-computer, con un particolare interesse per le sue applicazioni nel campo della riabilitazione motoria e delle protesi avanzate, con l’obiettivo di tradurre questa promettente innovazione in soluzioni concrete per migliorare la qualità della vita delle persone.
Lo studio è stato pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences.
