Università di York

Quando la professoressa associata Elena Geangu del Dipartimento di Psicologia dell'Università di York e il suo team interdisciplinare di psicologi, ingegneri, informatici e matematici hanno saputo di aver ottenuto un finanziamento per lo sviluppo del loro progetto, la piattaforma EgoActive, c'è stato motivo di festeggiare. 

La piattaforma EgoActive era il loro concetto innovativo di un sistema di monitoraggio compatto con sensore cardiaco e telecamera montata sulla testa, in grado di offrire alla comunità scientifica un'opportunità unica di registrare e valutare l'interazione del bambino con il mondo nel suo ambiente naturale, piuttosto che in un laboratorio artificiale o in un ambiente clinico. 

Questo lavoro è incredibilmente importante. Studiare i bambini nel loro ambiente naturale ci permette di capire come matura il cervello umano e come ci sviluppiamo per diventare gli adulti che siamo e il modo in cui funzioniamo. Queste informazioni possono essere utilizzate per scopi pratici, come ad esempio aiutarci a capire cosa succede se lo sviluppo non segue un modello tipico - lo studio di diversi disturbi e quali fattori nell'ambiente naturale possono aver contribuito a raggiungere questo risultato. Queste conoscenze possono essere applicate ad un'ampia gamma di disturbi, per esempio ai bambini che sviluppano disturbi d'ansia, disturbi della condotta, autismo e altri diversi deficit cognitivi. Oltre a trattare i disturbi, queste informazioni possono essere utilizzate anche per informare le pratiche educative. Ci dice come possiamo educare i nostri figli in modo più efficace, in modo che abbiano esperienze di vita più adattive e, in definitiva, migliori risultati in molti aspetti della vita, tra cui l'istruzione, le interazioni sociali e la carriera.

Un'opportunità di finanziamento per portare la piattaforma EgoActive dall'idea alla creazione si è presentata sotto forma del prestigioso programma First 1000 days (1kD) di Wellcome Leap. L'obiettivo di 1kD è quello di identificare e sostenere i progetti di ricerca sullo sviluppo infantile più promettenti per ottenere una maggiore comprensione dello sviluppo neurocognitivo del bambino nei primi 1000 giorni di vita. 

Aperta agli scienziati di tutto il mondo, la competizione per entrare a far parte del programma 1kD da 45 milioni di dollari è feroce. Centinaia di gruppi di ricerca hanno presentato domanda, ma solo dieci progetti hanno avuto successo: il team dietro la piattaforma EgoActive, guidato dall'Università di York (e con collaborazioni con l'Università di Newcastle e l'Università Queen Mary di Londra) era uno di questi.

Tuttavia, per Elena e il suo team non c'era tempo per riposare sugli allori. Con un arco temporale di soli 12 mesi in cui dovevano creare la piattaforma EgoActive da zero, improvvisamente il tempo scorreva.

La piattaforma doveva essere costituita da sensori wireless integrati e indossabili per catturare le statistiche uditivo-visive egocentriche del bambino e le funzioni del sistema nervoso autonomo "in natura", cioè nell'ambiente naturale del bambino.

Elena e il suo team hanno iniziato a esaminare i dispositivi in commercio, ma si sono presto resi conto che questa strada non era percorribile perché le apparecchiature esistenti non erano adatte ai bambini piccoli, né erano adatte a un progetto con finalità di ricerca. Avevano quindi bisogno di un supporto produttivo per risolvere i limiti delle apparecchiature esistenti e rendere la piattaforma EgoActive adatta a condurre ricerche al di fuori di un ambiente di laboratorio.

Il team ha potuto mettere a disposizione la propria vasta esperienza nella conduzione di ricerche nelle aree della psicologia e delle neuroscienze dello sviluppo, dell'informatica, della matematica e della statistica, nonché dell'ingegneria biomedica. Ma rimaneva una lacuna nelle competenze richieste per il progetto. Servivano competenze ingegneristiche, di prototipazione e di produzione per contribuire alla realizzazione del concetto.

Come spiega Elena, "il mio team aveva esperienza di lavoro con ingegneri biomedici, ma non con ingegneri che avessero il tipo di competenza di Protolabs. Avevamo un'idea di come avrebbe dovuto apparire il progetto sulla base delle nostre prove sperimentali, ma avevamo bisogno di un supporto esterno che ci aiutasse a portare il prototipo incipiente a un livello di progettazione tale da poter essere prodotto professionalmente. Avevamo le caratteristiche dell'elettronica e degli elementi contenuti nei dispositivi, ma quando si trattava di involucri, non sapevamo cosa fosse meglio in termini di materiali o di competenze su come progettare nei minimi dettagli.

"Il progetto non è stato privo di sfide, perché i dispositivi indossabili sono destinati ai bambini, quindi dovevamo assicurarci che gli involucri fossero corretti in termini di design e materiale, dato che erano a diretto contatto con la pelle delicata e il corpo fragile dei neonati. Inoltre, i dispositivi dovevano essere molto leggeri, comodi e non invadenti, in modo che i bambini non si accorgessero di averli addosso. Inoltre, avevamo una scadenza estremamente stretta, il che significava dover contare su un supporto rapido".

È qui che entra in gioco Protolabs, come continua Elena:

"Nella mia ricerca, volevo un luogo abbastanza locale dove potessi recarmi di persona e discutere i requisiti, poiché si tratta di un prodotto molto importante e trovo più facile lavorare in questo modo. Mi sono imbattuto in Protolabs e mi sono messo in contatto con loro. Fin dall'inizio ho avuto un'ottima esperienza. Shay Mason, il mio primo punto di contatto, mi ha messo in contatto con gli ingegneri progettisti Dom Corpuz e Tom Rowland del Servizio di Consulenza Progettuale di Protolabs. È stato un piacere interagire con loro e sono stati molto competenti. Mi hanno subito messo a mio agio e alla fine abbiamo lavorato insieme al progetto".

Il Servizio di Consulenza Progettuale (CDS) di Protolabs è complementare al servizio di stampaggio a iniezione dell'azienda. Mentre la piattaforma di quotazione automatizzata fornisce un utile feedback con analisi di fattibilità (DFM), il servizio aggiuntivo di Consulenza Progettuale è adatto quando un progetto richiede un pensiero più critico e un'esperienza ingegneristica a supporto di considerazioni più complesse sulla producibilità, come quelle richieste da Elena e dal suo team.


Dom Corpuz, uno degli ingegneri applicativi di Protolabs, continua la storia: "Lavorare con Elena e il suo team è stato un piacere, ma era chiaro che il tempo era essenziale, quindi ci siamo messi al lavoro rapidamente per trovare la strada attraverso il processo di progettazione e produzione. Alla fine sono stati prodotti in totale tredici pezzi per realizzare gli assemblaggi dei due componenti principali della piattaforma: la telecamera montata sulla testa e il sensore di attività cardiaca. I pezzi che abbiamo realizzato fungono essenzialmente da supporto o involucro per tutto l'hardware elettronico necessario per i due componenti".


Per la verifica iniziale del progetto, è stato utilizzato il silicone per la stampa 3D PolyJet per creare la fascia dell'involucro della telecamera montata sulla testa e la Multi Jet Fusion con PA 11 per gli involucri della telecamera montata sulla testa e del sensore del corpo. Si è trattato di un primo passo essenziale, perché la stampa 3D ha permesso al team di verificare l'adattamento del progetto e il comportamento meccanico delle parti in modo economico, prima di investire in attrezzature per lo stampaggio a iniezione. In effetti, il processo ha permesso al team di iterare comodamente una serie di aggiustamenti del progetto prima di passare alla produzione, soprattutto perché molti dei materiali utilizzati nella produzione additiva di Protolabs sono gli stessi, o si comportano allo stesso modo, di molti dei materiali disponibili per lo stampaggio a iniezione.

Per il sensore di attività cardiaca è stato scelto il polipropilene (PP), che doveva essere il più sottile possibile e richiedeva un materiale di facile scorrimento nello stampo. L'archetto era composto da due materiali: PP e gomma siliconica liquida (LSR). L'LSR è stato scelto per consentire alla fascia di piegarsi delicatamente intorno alla testa del bambino mantenendo la sua forma, ma anche per fornire proprietà di isolamento elettrico e termico. L'LSR era inoltre fondamentale per garantire il comfort del bambino che lo indossa, cosa che sarebbe stata essenziale per garantire il successo della ricerca!

Dom spiega: "La sfida principale è stata quella di prendere il progetto iniziale stampato in 3D e adattarlo allo stampaggio a iniezione, in particolare per la fascia della telecamera montata sulla testa. Il progetto iniziale era un assemblaggio in due parti, ma abbiamo dovuto ripensare la configurazione dei pezzi per soddisfare i requisiti del cliente e rientrare nelle capacità di stampaggio. Abbiamo dedicato molta attenzione alla riprogettazione dei pezzi per garantire che Elena e il suo team fossero soddisfatti del progetto e che fosse comunque producibile. Grazie al nostro servizio di progettazione consultiva, siamo stati in grado di supportare il progetto per tutta la sua durata, fino a quando tutti si sono detti soddisfatti di passare alla lavorazione con stampi a iniezione. Ma questo è tipico dello sviluppo del design di prodotto, quindi siamo molto abituati a questo processo".

Alla fine, sono stati stampati a iniezione tra i 200 e i 500 pezzi di ciascun pezzo: un numero di produzione relativamente basso per il processo, ma adatto a quello che attualmente è un progetto di ricerca non commerciale. 

Grazie alla collaborazione con Protolabs, la piattaforma EgoActive non è più un concetto ma un prodotto finito. È uno strumento di vitale importanza che cambia il modo in cui gli scienziati possono valutare, studiare e promuovere uno sviluppo cerebrale sano. Eliminando i limiti del laboratorio, la piattaforma EgoActive apre nuove ed entusiasmanti opportunità di ricerca sullo sviluppo cognitivo precoce degli esseri umani nel loro ambiente naturale. 

Per questo motivo, era importante diffondere i risultati del progetto alla comunità scientifica pubblicando un articolo. Elena desiderava pubblicare attraverso una piattaforma ad accesso aperto, in modo che i risultati potessero essere letti gratuitamente da tutti, compresi i membri del pubblico, piuttosto che in una rivista scientifica protetta da un muro a pagamento.

A testimonianza dell'importanza e del successo del progetto, la stesura dei risultati da parte di Elena e del suo team è stata rigorosamente rivista e accettata per la pubblicazione sulla prestigiosa rivista Sensors, una piattaforma scientifica ad accesso libero. Ancora una volta, Elena è stata grata a Protolabs per il suo aiuto in questo risultato; si è rallegrata del fatto che Dom e Tom abbiano fatto il passo più lungo della gamba contribuendo con la loro esperienza ingegneristica a spiegare gli aspetti tecnici del design e dei materiali dell'involucro. 

Il documento è ora disponibile e condiviso dalla comunità scientifica e ha generato un grande interesse per la piattaforma EgoActive.


”Come spiega Elena, "ora che il lavoro è stato pubblicato, molti scienziati ci hanno chiesto se possono avere la piattaforma EgoActive per le loro ricerche. Sappiamo che scienziati e professionisti hanno davvero bisogno di questi dispositivi, quindi dobbiamo trovare un modo per distribuirli. Il nostro obiettivo è quello di distribuire la piattaforma EgoActive all'interno delle comunità accademiche e professionali interessate, con lo scopo di aiutare piuttosto che di trarre profitto. Dobbiamo solo trovare il modo migliore per farlo. Questo tipo di iniziativa è al centro dei principi dell'Università di York: un'università per il bene pubblico. Cerca di promuovere la collaborazione al di là dei confini disciplinari e con persone ed enti diversi provenienti da tutta la società, al fine di generare sinergie di ricerca per un beneficio duraturo per la società in generale".

Attualmente, la piattaforma EgoActive viene utilizzata dall'Università di York per raccogliere i dati di molte famiglie a San Paolo, in Brasile, e a York, nel Regno Unito. Sia i bambini che le loro madri indossano i dispositivi in momenti diversi durante il primo anno di vita per scoprire come le caratteristiche dell'ambiente naturale contribuiscano allo sviluppo e ai cambiamenti della mente nel tempo. Lo studio consentirà inoltre all'équipe di capire se un modello di sviluppo specifico è proprio di alcune culture o se lo sviluppo segue un modello universale, caratteristico dei neonati di tutto il mondo. 

Solo il tempo ci dirà quali entusiasmanti scoperte ci saranno nello studio del cervello umano e dello sviluppo della mente grazie al lancio della piattaforma EgoActive. E Protolabs sarà a disposizione per supportare ogni futuro sviluppo del prodotto.

"Sono stata felicissima di scoprire Protolabs", dice Elena. "Il team era incredibilmente entusiasta, curioso e pronto ad affrontare la sfida. Ho apprezzato il fatto che fossero sempre felici di condividere le idee e di aiutare a portare avanti il progetto. Mi è piaciuto molto lavorare con loro per creare la piattaforma EgoActive e credo che nei prossimi due anni ci saranno ulteriori collaborazioni con Protolabs per lo sviluppo e la distribuzione del prodotto. Non vedo l'ora di lavorare ancora con Protolabs su questo e su eventuali progetti futuri".

 Informazioni sul programma Wellcome Leap First 1000 days (1kD):

Il programma di finanziamento 1kd di Wellcome Leap chiarisce quanto sia importante per tutti noi capire meglio come si sviluppa il nostro cervello fin dalla nascita: "Sappiamo tutti che differenza fa un giorno. I primi 1000 giorni possono fare la differenza per l'inizio della vita di un bambino, forse più di quanto si sia mai capito prima. In questo primo periodo si sviluppano capacità cognitive fondamentali, come la funzione esecutiva (EF) e l'autoregolazione. Alla fine dei primi 1000 giorni, le prestazioni individuali di EF di un bambino cambiano le sue probabilità di affrontare con successo le opportunità e gli ostacoli che incontra nella vita. Una EF ben sviluppata migliora le possibilità di salute fisica, neurale e mentale del bambino per tutta la vita, riduce il ritmo dell'invecchiamento ed è alla base di una maggiore produttività e prosperità. In effetti, se l'EF è poco sviluppata, le conseguenze sono notevoli. Sappiamo che i bambini con EF sottosviluppata all'età di 3 anni rappresentano circa il 20% della popolazione, ma costituiscono quasi l'80% degli adulti che probabilmente avranno bisogno di una qualche forma di assistenza sociale o economica".