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POLIMERI ELETTROATTIVI (EAP)

I polimeri elettroattivi sono gli attuatori che emulano di più i muscoli biologici rispetto a qualsiasi altro

attuatore prodotto, in quanto possono cambiare forma in risposta a uno stimolo elettrico.

Includono metalli liquidi, leghe a memoria di forma, polimeri, fluidi, gel, carta, carbonio,

ATTUATORI ELASTOMERI DIELETTRICI (DEAs)

Sono caratterizzati da 2 elettrodi separati da un film polimerico. Quando viene applicata una differenza di

potenziale, si ha una compressione e il materiale dielettrico che

si trova tra i due elettrodi cambia forma. L’attuatore DEA è spesso

conosciuto come una specie di capacitore che converte l’energia

elettrica in energia meccanica.

ATTUATORI BASATI SULLA NEURO-STIMOLAZIONE

Sono attuatori che si interfacciano con i nervi del corpo umano, per esempio nell’attuazione di una protesi.

Devono leggere e decodificare il segnale che viene mandato dal cervello, in modo tale che la protesi sia attuata

direttamente dal segnale che viene dal cervello.

La protesi deve essere in grado di essere comandata direttamente dal nostro cervello, ma deve essere in grado

anche di restituire al cervello le sensazioni provate→FEEDBACK DUALE.

Questo loop può essere ottenuto utilizzato attuatori che stimolano i nervi periferici elettricamente.

(a) La persona ha l’intenzione di prendere

l’oggetto e quindi pensa a questa cosa.

Questa intenzione viene codificata

dall’attività muscolate attraverso sensori

sEMG

(b) Il controllo sulla posizione e sulla forza è

implementata dalla protesi

(c) La protesi è dotata di un sensore tattile

per rileva il contatto

(d) Il segnale viene percepito dal sensore

(e) Il segnale viene passato agli attuatori

neuronali e a livello neuronale viene

ricreata la sensazione registrata dal sensore tattile sopra la protesi

ATTUATORI PNEUMATICI

Sono attuatori che sfruttano la variazione di pressione, ovvero variando la pressione di gas o aria presenti in

determinate camere si crea un certo movimento.

Sono molto utilizzati per applicazioni di aperture/chiusure ripetitive di valvole cardiache.

ATTUATORI IDRAULICI

La variazione della pressione e direzione del fluido all’interno di camere viene convertita in movimento.

L’attuatore è basato su nervature equamente distribuite con spazio vuoto tra loro, collegate tramite un canale

al centro che consente l’inserimento del fluido.

Per queste tipologie di attuatori si ha difficoltà nella miniaturizzazione

perché hanno bisogno di essere connessi a una struttura che gestisce la

diversa pressione all’interno delle camere.

A seconda del materiale che viene scelto, si ha un diverso movimento e

deformazione.

APPLICAZIONI BIOMEDICHE DELLA SOFT ROBOTICS

La BIOCOMPATIBILITA’ e la BIOMIMESI (capacità di quel

particolare elemento di mimare anatomia e funzionalità del

corpo umano) sono due concetti fondamentali per le

applicazioni della soft robotics nell’ingegneria biomedica.

Simulatori del corpo: massima biomimesi, minima

biocomptaibilità, perché spesso sono simulatori che vengono

utilizzati dai medici per imparare

Organi artificiali: massima biomimesi e massima

biocompatibilità, perché devono sostituire una parte del

corpo ed essere impiantati.

Protesi: zona intermedia con buona compatibilità e

biomimesi, perché vanno a sostituire una parte del corpo

mancante.

Dispositivi chirurgici: bassa biomimesi ma alta

biocompatibilità

Dispositivi per drug delivery: massima biocompatibilità, ma

bassa biomimesi

Le applicazioni biomedicali possono essere suddivide

principalmente in 3 aree principali:

1. DISPOSITIVI MEDICI: tra cui dispositivi chirurgici e per drug delivery

ENDOSCOPIO: esistono endoscopi rigidi e endoscopi più flessibili.

Gli endoscopi rigidi venfono utilizzati per vedere un organi target più vicino al punto di inciione, quindi tale

dispositivo ha un workspace limitato.

L’endoscopio flessiblile permette di ampliare lo workspace.

Nella parte distale dell’endoscopio (parte che avanza nel corpo, distale dalla macchina) si hanno delle parti

rigide, mentre le parti centrali sono simili a delle fisarmoniche che permettono la locomozione, allungandosi e

contraendosi.

Con il colonscopio (tipologia specifica dell’endoscopio per esplorare il colon e il retto) è possibile fare dei

piccolli prelievi o delle micro-operazioni all’interno del colon.

Requisiti che deve avere un endoscopio:

- biocompatibile

- capacità di subire deformazioni controllabili per avere un’interazione sicura con gli organi

- regolabilità dell’irrigidimento

MINIR (Minimally Invasive Neurosurgical Intracranial Robot): il vantaggio principale dell’endocopia per il

funzionamento del cervello evita di creare fori nel cranio e permette di attraversare l’area sensibile del cervello.

Il robot ha un corpo simile a quello di un serpente, suddivido in 3 segmenti collegati tra loro da molle interne in

plastica. La parte esterna è ricoperta da una lunga molla esterna continua.

È caratterizzati da un fascio di luce per l’elettrocauterizzazione e un tubo per l’aspirazione e l’irrigazione.

ROBOT CONTINUI: dispositivi robotici i cui corpi contengono collegamenti rigidi o giunti

▪ ROBOT PERISTALTICI: dispositivi che si muovo e traggono ispirazione dal movimento dei lombrichi

▪ ROBOTI SERIALI: robot costituiti da diversi giunti prismatici o rotanti accoppiati insieme.

L’obiettivo principale della drug delivery è raggiungere, tramite il sistema cardiovascolare, l’area target della

terapia. Il sistema drug delivery spesso viene utilizzato quando l’area target della terapia è molto remota (es.

parti del cervello, fegato, pancreas,..)

Molti materiali soft utilizzati per il DRUG DELIVERY sono basati sugli hydrogel e materiali biocompatibili e

biodegradabili (si degradano dopo un certo tempo per rilasciare le sostanze che trasportano).

Ci sono 2 tipologie di rilascio per il drug delivery:

- Rilascio Tradizionale (passivo): il farmaco viene rilasciato costantemente alla stessa frequenza e

concentrazione→ questo può portare a reazioni avverse per un rilascio eccessivo del farmaco

- Rilascio Attivo di farmaci attraverso stimoli esterni→ consente un controllo del rilascio e del dosaggio

dei farmaci

2. DISPOSITIVI CHE MIMANO IL CORPO UMANO: simulatori, organi e protesi

SIMULATORI DI UNA PARTE DEL CORPO: sono molto importati le simulazioni che vengono fatte dai medici sui

simulatori di parti del corpo, soprattutto per la loro formazione e training.

È necessario utilizzare materiali con proprietà meccaniche simile a quelle dei tessuti biologici che si sta

considerando (biomimetici). Bensì non devono essere caratterizzati dalla biocompatibilità in quando non

vengono impiantati.

Simulatore EVE= simulatore endovascolare in grado di mimare i vasi del sistema cardiocircolatorio (non i

capillari)

ORGANI ARTIFICIALI: sono costituiti da materiali con estrema biocompatibilità

Il CUORE è stato al centro della ricerca sulla robotica soft vista l’importanza che ha per il funzionamento del

nostro corpo. Il cuore è caratterizzato da una funzione “semplice”, poiché è essenzialmente una pompa.

I dispositivi di supporto artificiali possono essere utilizzati per ripristinare la funzione meccanica del cuore.

Sono stati esplorati anche interi cuori artificiali soft per sostituire completamente l'organo naturale. La forma e

la funzione del cuore possono essere replicate con dispositivi stampati in 3D. Il design morbido consente di

ricreare il movimento fisiologico del cuore umano durante il pompaggio e di riprodurre il flusso sanguigno

fisiologico.

Il design si basa su tre camere elastomeriche separate: due ventricoli (sinistro e destro) e una camera di

espansione. Il gonfiaggio della camera di espansione da parte di una pompa esterna porta alla compressione

dei due ventricoli e al conseguente spostamento del sangue, con conseguente camera di flusso pulsatile. La

maggior parte degli studi finalizzati allo sviluppo di cuori artificiali e basati su tecnologie robotiche morbide si

sono concentrati sui requisiti meccanici (pressione raggiungibile, frequenza e cicli di lavoro).

Gli organi artificiali sono molto complessi da realizzare e impiantare.

PROTESI: le tecnologie della soft robotuics possono migliorare notevolmente la funzionalità e accettabilità

delle protesi degli arti. Le protesi, essendo soft, hanno un’interfaccia uomo-robot molto più ergonomica e

confortevole, fornendo una sensazione meno invasiva all’uomo.

3. DISPOSITIVI PER L’ASSISTENZA E LA RIABILITAZIONE

3.ASSISTIVE AND SOCIAL ROBOTICS

La robotica di servizio può essere autonoma o semi-autonoma e svolge servizi utili al benessere delle persone.

I robot di servizio lavorano in ambienti non strutturati, quindi sono particolarmente rumorosi dal punto di vista

del controllo, quindi il robot deve continuamente adattarsi e non arriverà mai a un punto di arrivo con una

precisione elevata.

Mentre i robot industriali sono particolarmente precisi e performanti.

Gli ASSISTIVE ROBOT (robot assistenziale) sono servizi che vengono utilizzati nella bioingegneria e nella

biomedica, per il supporto di persona che hanno dei deficit di tipo motorio o cognitivo, quindi per lo più sono

utilizzati per supporto e assistenza di pazienti patologici.

Gli assistive robot possono essere di vario tipo:

Robot per un’assistenza puntuale, mirata a risolvere un singolo specifico task che la persona non può

▪ svolgere

Robot per la mobilità (es. carrozzina elettrica autonoma)

▪ Robot per funzioni di trasporto e logistica

▪ Robot che funge da interfaccia (SOCIAL ROBOTICS)

SOCIAL ROBOTICS: robot autonomo o semi-autonomo che è in grado di interagire e comunicare con l’uomo

attraverso dei comportamenti e regole sociali tipiche dell’interazione uomo-uomo. Quindi è un robot che può

integrare il riconoscimento degli stati emotivi, i gesti, la voce,…

IoRT= Internet of Robotic Things:

sistemi interconnessi di robot e

sensori che facilitano dei servidi di

assistenza, di infermieristica, ecc..

Dall’immagine si può vedere che si

possono sviluppare sistemi di

assistenza non solo in ambiente

ospedaliero ma anche in ambiente

casalingo, in modo tale che il

paziente possa essere monitorato

anche quando non si trova in

ospedale.

IoT= Internet of Thing: insieme di reti e connessioni

SMART ENVIRONMENTS: ambienti con sensori e dispositivi che accumulano, acquisiscono e gestiscono

informazioni che provengono dall’ambiente. Un’integrazione del robot all’interno di ambienti intelligenti

permette di far passare queste informazio

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I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Giuliab17 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Robotica biomedica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Firenze o del prof Cavallo Filippo.
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