Sant'Anna Events

700,000 euros in total funding, 26 students from 11 countries, 4 partner institutions, and 20 research centres are the key features that distinguish the Master in Photonic Integrated Circuits, Sensors and Networks (PIXNet). This Master is jointly organized by Aston University Birmingham (UK), the TuE Technische University Eindhoven (The Netherlands), and Osaka University under the scientific supervision of Sant’Anna School.

All four partners in the PIXNet program under the Erasmus Mundus Joint Master Degree Scholarships and Erasmus+ Key Action 1 Mobility will train the students in telecommunications, photonic technologies, integrated circuits, fiber-optic communication, biomedical industry, and photonic computing. Today, 19 students have started their work with a team of researchers at the Sant'Anna School TECIP Institute - Communication, Information and Perception Technologies, under the supervision of Professor Piero Castoldi, as the PIXNet project coordinator. 7 more students are working at the UK Aston Institute of Photonic Technologies (AIPT).

This Master course, jointly delivered by the Technische University Eindhoven, Aston University and Osaka University international consortium, is designed to ensure that all students are exposed to the key topics in photonics, including metamaterials, microfabrication and nano-photonics. The PIXNet community can be reached at the Facebook  PIXnet Master degree and #pixnet.

Sant'Anna School can boast the most dedicated team of researchers at the INPHOTEC foundation, a leading research centre for advanced photonics of the TECIP Institute. The INPHOTEC foundation is pleased to announce 2019 - 2020 additional funding opportunities for international students: further information and next October 2018 call for applications are available at http://pixnet.santannapisa.it/ and https://www.facebook.com/PIXNETmaster/ .

Over the last decade, prosthetic hands have become increasingly anthropomorphic. They can nearly duplicate the dexterity and functionality of human hands.  However, grasping and dexterously manipulating objects relies on our natural sense of touch, not only in motor control but also in emotional communication and embodiment.

Scientist from  Sant’Anna School of Advanced Studies -Pisa, École Polytechnique  Fédérale  de  Lausanne (EPFL),  University of  Fribourg, and  Policlinico Gemelli – Roma found that “hybrid” approaches will be needed to provide a more natural tactile feedback. They have worked on hybrid encoding strategies to deliver neural stimulation to trans-radial amputees implanted with intraneural electrodes. The research team supervised by Silvestro Micera, professor of bioengineering at the BioRobotics Institute of Sant’Anna School and   Bertarelli Professor of Translational Neuroengineering at EPFL,  has recently released the study “Biomimetic intraneural  sensory  feedback  enhances  sensation naturalness,  tactile  sensitivity  and  manual  dexterity  in  a  bidirectional  prosthesis”, published in Neuron journal. Scientists have developed sophisticated approaches to control the optimal combination of naturalness and sensitivity of the tactile feedback that can be achieved with ‘‘hybrid’’ encoding strategies based on simultaneous biomimetic frequency and amplitude neuro-modulation. These strategies improved the manual dexterity during functional task while maintaining high levels of manual accuracy. They also improved prosthesis embodiment, reducing abnormal phantom limb perceptions (‘‘telescoping effect’’). 

The results provided effective tools to investigate brain dynamics and tactile feedback to adjust the motor command to the prostheses. Tactile feedback significantly improved the accuracy in force control when using hybrid-encoding strategies. This study reported the results of a study of the perceptions in the context of achieving the goals of the prostheses control. Scientists can then speculate that the acquisition of a feedforward control scheme can be used to operate the prostheses at a higher level of performance.

Giacomo Valle, PhD student at Sant’Anna School and the first author of the paper, explained: “First, we investigated the source of the tactile information and we tried to assess the neural network dynamics and mechanisms through a set of algorithms. During the tests, neurons were stimulated by activating hand-fingers patterns. Our results show that we can reproduce complex neuronal dynamics as spontaneous”.

“The results demonstrate that our most advanced artificial limb, a hand prosthesis that can be controlled by a human brain – said Silvestro Micera – is felt by the amputee as the natural one. We are now working on making this solution available to large-scale clinical trials”.

“Our bionic prosthesis consists of a dexterous hand for exploring the world around us – said Paolo Maria Rossini. We have succeeded in restoring sensory feedback providing sensory information from the artificial hand to the brain and enabling the user to control complex hand and finger movements (such as playing the keyboard or using a barbell). It is the most desirable feeling to feel. You will feel like life is good again”.

“The feeling is spontaneous as if it were your real hand; you're finally able to do things, mundane but important things, that before were very difficult”, said Loredana Puglisi and Almerina Mascarello who performed functional tasks (objects’ recognition and sensing) inside and outside of the laboratory environment.

The study has been funded through NEBIAS, the EC research project pioneering a novel upper limb prosthesis neuro-controlled and felt by the amputee as the natural one. NEBIAS was launched in November 2013 as a 4-year project and is supervised by bioengineers and neurologists of Sant’Anna School Biorobotics Institute, and EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne).

Negli anni sono state sviluppate soluzioni per restituire informazioni tattili a persone con amputazione di arto. Tuttavia  le informazioni che esse trasmettono risultano lontane da quelle della mano umana, in termini di naturalezza ed efficacia. La soluzione a questo importante problema clinico e scientifico arriva adesso da una nuova ricerca pubblicata su Neuron, una delle più prestigiose riviste nel campo delle neuroscienze, da parte di un gruppo di ricercatori della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, dell’École Polytechnique  Fédérale  de  Lausanne (EPFL),  dell’Università di Friburgo, del Policlinico Gemelli di Roma. Il gruppo coordinato da Silvestro Micera, docente di Bioingegneria all’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, e titolare della Cattedra Bertarelli in Neuroingegneria Translazionale all’EPFL, ha infatti sviluppato un codice in grado di trasmettere per la prima volta ai nervi del braccio amputato tutta la varietà di percezioni che avrebbe ricevuto dai neuroni tattili della propria mano e, quindi, di comunicare le informazioni utili per il movimento in modo estremamente naturale.

Lo studio, dal titolo “Biomimetic intraneural  sensory  feedback  enhances  sensation naturalness,  tactile  sensitivity  and  manual  dexterity  in  a  bidirectional  prosthesis”, apre nuovi scenari nella ricerca sulle protesi artificiali e sulla loro capacità di recuperare il più possibile la naturalezza dell’arto mancante. Attraverso un approccio interdisciplinare, che integra pratiche derivanti dalla neuroingegneria, dalla neurologia clinica e dalla robotica, grazie a simulazioni matematiche del comportamento dei neuroni, è stato possibile accertare che paziente riesce a ricevere informazioni più naturali ed efficaci, stimolando il nervo periferico con informazioni molto simili a quelle che i sensori delle dita naturali fornirebbero in situazioni normali.

“In questo lavoro scientifico non siamo partiti dalla mano robotica – spiega Giacomo Valle, studente di dottorato alla Scuola Superiore Sant’Anna e prima firma della pubblicazione - ma dalla sorgente dell’informazione tattile, cercando di riprodurre in modo più accurato possibile la dinamica dei neuroni nelle dita nel momento in cui una mano tocca un oggetto. Così abbiamo trasmesso al sistema nervoso del paziente un segnale che è stato subito riconosciuto come naturale”.

Quello compiuto dai ricercatori e oggetto della pubblicazione su Neuron appare come un passo significativo verso una protesi di mano ancora più simile a quella naturale, perché - per la prima volta - si tengono in considerazione tutti gli aspetti della percezione tattile. Inoltre, il codice sviluppato dagli autori dello studio potrà essere applicato a tutti i modelli di protesi, garantendo la sensibilità delle percezioni e l’efficacia dei movimenti.

“I nostri risultati – commenta Silvestro Micera – permetteranno di avere protesi di mano che siano allo stesso tempo efficaci e utilizzabili in modo naturale e non avvertite come un corpo estraneo. Ciò aumenterà in maniera significativa l’impatto clinico di queste tecnologie”.
“La nostra mano ci permette – sottolinea Paolo Maria Rossini - di esplorare l’ambiente attorno alla nostra persona e di interagire con esso. Ci permette di colpire duro o di accarezzare. Ci permette di suonare una tastiera o di sollevare un pesantissimo bilanciere. Tutta questa varietà di azioni (e mille altre) è possibile anche grazie al feedback sensoriale che ogni movimento e contatto con un oggetto invia al nostro sistema nervoso. Perdere l’informazione sensoriale è come vivere in un mondo senza colori e senza contrasti di chiaro/scuro. Riacquisire la sensorialità è motivo, per una persona amputata, di sentirsi nuovamente ‘padrone e signore’ dell’ambiente che lo circonda”.

L’utilizzo del codice permette di avere una maggiore sensibilità quando la mano robotica entra in contatto con un oggetto di qualsiasi dimensione, superando i limiti “sensoriali” delle protesi tradizionali.
“Riuscire a sentire di nuovo sensazioni in un arto fantasma, ovvero in una mano che non c’è più – commenta Loretana Puglisi, una delle due pazienti che ha sperimentato il sistema, l’altra è Almerina Mascarello – è un passo importante verso lo sviluppo di protesi davvero funzionali. Per la prima volta ho percepito la protesi come un naturale prolungamento del mio corpo e non come una parte esterna”.

Lo studio è stato portato avanti nell’ambito del progetto NEBIAS, finanziato dalla Commissione Europea e coordinato dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, istituzione che si occupa da quasi due decenni di protesi di mano sensibili nell’ambito di progetti su scala nazionale ed europea. Ha contribuito allo studio anche il Centro di competenza svizzero in robotica. 

In fondo alla pagina il video di presentazione del paper.