Un sistema vestibolare al silicio per i bio-robot di nuova generazione; modelli di cervello in grado di orientarsi nell’ambiente, tramite segnali utili a mantenere l’equilibrio e regolare la postura. Nell’uomo, e in tutti i vertebrati, il sistema vestibolare sovrintende alla percezione della posizione della testa e del corpo: localizzato nell’orecchio interno, è il perno del movimento corretto nel mondo che ci circonda. «In bio-robotica il sistema vestibolare è stato per anni sottovalutato» spiega Cecilia Laschi, co-autore della ricerca di prossima pubblicazione su Ieee Transactions On Biomedical Circuits And Systems . «Nel 2013 un progetto europeo, il RoboSoM, ha proposto di dotare i bio-robot di un sistema vestibolare adatto, per la maggior stabilità di testa e sistema visivo durante la camminata». Il lavoro attuale parte da qui, finanziato dal SiCode EU project, dal NeuroP EU project e, in parte, dal Microelectronics, Bio-robotics and Smart Systems Joint Lab. Le competenze specifiche sono di livello: l’Istituto di Bio-Robotica della Scuola superiore Sant’Anna di Pisa, l’Istituto di Neuroinformatica dell’Università di Zurigo e la STMicroelectronics di Catania. «Ciascuno ha fatto la propria parte» riassume Davide Zambrano membro, con Laschi, del gruppo pisano. «A Pisa abbiamo studiato il modo in cui le informazioni di velocità e accelerazione, percepite dal sistema vestibolare umano, sono tradotte in segnali neuronali. I dati sono stati trasformati in modello matematico e riprodotti esattamente grazie a sensori inerziali, messi a punto dalla STMicroelectronics. Ma, senza la collaborazione del gruppo di Giacomo Indiveri a Zurigo, tutto ciò non avrebbe avuto gli sbocchi applicativi che volevamo».

Indiveri, infatti, è un riferimento internazionale della ricerca sui sensori neuromorfici (neuromorphic computing). È lui il responsabile del NeuroP project che, con un investimento EU di 1,5 milioni di euro, sta portando avanti teoria e tecnologia dei processori neuromorfici, applicabili ai bio-robot (ma non solo).

«Sono chip al silicio, in cui “neuroni” artificiali, analogici, riproducono funzioni e caratteristiche dei neuroni veri, biologici » spiega Laschi. «Questo sistema vestibolare neuromorfico è composto da 44 elementi, che mimano le funzioni di due componenti fondamentali: gli otoliti e i canali semicircolari afferenti». Gli impieghi e gli sviluppi sono affascinanti: «Il sistema vestibolare è il nostro indispensabile sesto senso» afferma Laschi. «La versione al silicio farà fare un vero salto di qualità ai robot umanoidi, per organizzare e utilizzare in continuo le immagini delle telecamere (gli occhi), migliorando velocità, reattività e robustezza delle loro performance». Ma non solo: «Ipotizziamo che da qui prenda le mosse la ricerca per un futuro impiego protesico» prosegue Zambrano. «Più a portata è invece l’applicazione nelle ricerche sul comportamento del sensore vestibolare in ambienti o condizioni nelle quali la ricerca in vivo (animali o uomo) sarebbe impossibile. Esempi: il ruolo della percezione vestibolare nel controllo dei muscoli oculari. Oppure, più sofisticato, lo studio dell’attività neurale durante accelerazioni estreme, o in assenza di gravità: una ricerca in vivo in tali condizioni non è ipotizzabile e l’alternativa, cioè una simulazione al computer, non potrebbe tener conto dell’imprevedibilità ovvia dell’ambiente reale». Conclude Laschi: «Questo primo lavoro apre per noi una nuova linea di ricerca sulla neuro-computazione applicata alla percezione e al controllo del movimento. Per ora, però, possiamo contare solo sulle nostre forze, in attesa di un più robusto finanziamento esterno».