Usare il corpo umano come una rete per far comunicare tra loro sensori, impianti terapeutici e dispositivi indossabili. È l’idea alla base di Swans (Smart Wireless Autonomous Networking System), un nuovo sistema sviluppato al Georgia Institute of Technology e appena illustrato sulla rivista Science. La tecnologia sfrutta la naturale conducibilità dei tessuti per trasmettere piccoli segnali tra dispositivi anche molto distanti tra loro, aprendo alla possibilità di rilevare un segnale biologico in un punto del corpo e attivare una risposta terapeutica in un altro, per esempio rilasciando un farmaco o stimolando un nervo.

Il corpo come rete di comunicazione

Sensori indossabili e dispositivi impiantabili possono già monitorare parametri del corpo o svolgere funzioni terapeutiche. Il loro potenziale aumenta quando riescono a comunicare tra loro: un sensore può rilevare un cambiamento e attivare automaticamente un altro dispositivo. È il principio delle terapie “closed-loop”, studiate, tra le altre applicazioni, per la somministrazione di insulina, la guarigione delle ferite e la neurostimolazione. Per far funzionare questi sistemi in modo autonomo e coordinato è, però, necessario permettere a dispositivi diversi di comunicare tra loro anche quando si trovano in parti distanti del corpo.

Il corpo umano, però, ostacola fortemente il passaggio dei tradizionali segnali wireless. E questo, finora, ha limitato la possibilità di far interagire dispositivi wearable e impianti collocati in parti diverse del corpo.

Inoltre, questi segnali richiedono antenne di grandi dimensioni e una quantità significativa di energia, costringendo a realizzare impianti abbastanza grandi da poterle contenere.

Per sviluppare il nuovo sistema Swans, il team si è ispirato al sistema nervoso, che attraverso una fitta rete di connessioni è in grado di trasmettere informazioni in tutto il corpo, come ci ha spiegato Silvestro Micera, professore ordinario di Bioelettronica alla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, commentando lo studio.

«Lo studio pubblicato su Science propone un approccio interessante: utilizzare i tessuti del corpo come una sorta di rete di comunicazione per mettere in contatto impianti e dispositivi indossabili, superando alcuni dei limiti delle tecnologie wireless tradizionali, come Bluetooth e NFC. Questo potrebbe permettere di realizzare impianti molto piccoli, inferiori ai 3 millimetri, e di farli lavorare insieme anche quando si trovano in parti diverse del corpo».

Parliamo di dispositivi di dimensioni tali da poter essere impiantati tramite siringa e non attraverso intervento chirurgico.

Come funziona Swans

La piattaforma utilizza il tessuto corporeo come mezzo conduttivo per trasmettere segnali tra impianti e dispositivi indossabili attraverso la pelle, i tessuti sottocutanei, la cavità addominale e l’apparato gastrointestinale. La novità introdotta da Swans è proprio questa: utilizzare il corpo come mezzo di comunicazione, sfruttando la naturale conducibilità ionica dei tessuti corporei per creare una connessione wireless in grado di coprire oltre 30 centimetri di distanza.

Ogni impianto è programmato per rispondere a impulsi elettrici di specifico voltaggio e durata, trasmessi attraverso i tessuti da un dispositivo all’altro, consentendo di attivarli in modo selettivo. «Il nostro Smart Wireless Artificial Networking System ci permette di collocare i sensori nel punto più adatto per rilevare un segnale biologico e gli attuatori in quello più adatto per svolgere un’azione terapeutica, coordinando poi questi dispositivi per realizzare terapie guidate dai sensori», ci ha spiegato Alex Abramson, assistant professor alla School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech (nella foto insieme al coautore dello studio Ramy Ghanim, a sinistra, e alla coautrice Joy Jackson).

Dalla progettazione alla sperimentazione

Nel loro studio, il team ha dimostrato la possibilità di ottenere il controllo motorio di entrambi gli arti nei ratti, facendo comunicare tra loro sensori e interfacce neurali distribuiti nel corpo. I sensori sono stati in grado di rilevare il movimento della zampa anteriore del ratto e attivare autonomamente un altro dispositivo, che ha stimolato e fatto contrarre il muscolo della zampa posteriore, simulando il naturale schema di deambulazione dell’animale.

«Gli autori, per ora, hanno dimostrato che il sistema funziona in un modello animale. Prima di arrivare a un’applicazione clinica sarà, però, necessario capire meglio quali quantità di informazioni questi dispositivi potranno trasmettere e, soprattutto, verificare nel tempo la sicurezza e l’affidabilità del sistema nell’uomo» ha commentato Micera.

Gli impianti sono costituiti da componenti elettronici passivi che consumano pochissima energia mentre attendono di essere attivati, per poi risvegliarsi immediatamente quando ricevono il segnale. Il basso fabbisogno energetico permette ai dispositivi di durare a lungo: negli esperimenti, il team ha osservato che un piccolo attuatore attivato una volta al giorno potrebbe durare circa un anno prima di dover essere sostituito. I ricercatori hanno, inoltre, riferito che i piccoli impulsi elettrici non hanno provocato danni ai campioni di tessuto analizzati.

Prospettive future per la salute

Swans, al momento, è progettato per trasmettere solo piccole quantità di dati tra i diversi dispositivi: la presenza o l’assenza di qualcosa, oppure un segnale sì/no per attivare una determinata azione. Gli scambi di dati più consistenti e le elaborazioni più complesse avvengono, invece, su un dispositivo indossabile esterno, che può coordinare le letture dei sensori impiantati e indirizzare le azioni terapeutiche di altri dispositivi.

«La nostra speranza è riuscire ad automatizzare completamente la gestione della salute umana, somministrando una terapia esattamente quando serve, nel punto in cui serve e in modo coordinato in tutto il corpo. Per raggiungere questo obiettivo, stiamo pianificando studi di sicurezza ed efficacia su animali di grandi dimensioni e sulle persone, con l’obiettivo di aumentare la distanza di comunicazione e il numero di dispositivi che possono collegarsi alla rete» ci ha spiegato Abramson, sottolineando che segnerebbe un bel passo avanti nella medicina bioelettronica personalizzata.

Foto Candler Hobbs, Georgia Institute of Technology