INDICE:
Introduzione
Esperienza concreta di interdisciplinarità
o multidisciplinarità
Biodesign: nuova disciplina
Progetti e ricerche innovative
Telecontrollo e telediagnostica
Daphne
Chirurgia robotica e telechirurgia
Conclusioni
Siti interessanti
Introduzione
Negli ultimi decenni l’interesse dei ricercatori
per la progettazione e lo studio di soluzioni specificamente
indirizzate all’uomo ha dato il via alla nascita
di una serie di discipline tutte caratterizzate dalla
presenza del prefisso “bio”, che deriva
dal greco e significa vita. Queste discipline toccano
diversi temi quali: ingegneria, architettura, medicina,
fisica, chimica, ecc.. Ciascuna di esse si rapporta
all’uomo secondo un’ottica specifica del
proprio campo di azione. I diversi settori possono essere
considerati una sorta di specializzazioni di discipline
già esistenti e consolidate. Da ciò possiamo
dedurre che ciascun campo di studio giunto ad una certa
evoluzione ha sentito la necessità di specializzarsi,
o meglio concentrare i propri sforzi sullo studio approfondito
dell’uomo, di affrontare la problematica, se così
si può dire, del “bio”.
Anche per la robotica e il design, così come
è avvenuto per le altre discipline, c’è
stato un reale rinnovamento nei confronti dell’approccio
progettuale con l’uomo e il suo corpo. L’uomo,
infatti, torna a proporsi al centro dell’attenzione
progettuale con un interesse diverso rispetto al passato.
Il progresso scientifico sta portando ad un allungamento
della vita e l’azione progettuale è indirizzata
a migliorarne sempre le condizioni. La ricerca che è
volta a superare i limiti fisici dell’uomo trova
una concretizzazione nello studio di oggetti che migliorano
le attività umane.
Quando ciò che si progetta deve diventare un
oggetto che migliora la qualità di vita dell’uomo,
la difficoltà consiste nel definire i requisiti
e tradurli in specifiche, proprio per la complessità
delle problematiche affrontate. La nascita di un’idea
principalmente è dovuta allo sviluppo di un bisogno,
sia esso visto come necessità o come desiderio.
Anche se poi in questo campo è molto difficile
delimitare il confine tra necessità di colmare
una carenza fisica e desiderio di superare nel modo
migliore una carenza funzionale per condurre un’esistenza
normale.
Lo studio delle problematiche legate al concetto di
“bio” sono, quindi, molteplici ed estremamente
complesse. Esiste una “intersettorialità”
che è fondamentale, ma nella realtà si
constata che ogni scoperta, ogni avanzamento è
fine a se stesso, è chiuso nel proprio campo
di specializzazione. Questo atteggiamento è fondamentalmente
errato, in quanto ogni disciplina che si propone col
prefisso “bio” affronta una parte della
realtà sofisticata, quella dell’essere
vivente, che si lega ad altre parti.
Nello sviluppo di progetti di ricerca biorobotici l’esperienza
che da alcuni anni si sta portando avanti al Laboratorio
di Robotica del Politecnico di Milano con la partecipazione
in tutte le diverse fasi progettuali di un’équipe
multidisciplinare, ha dato risultati positivi e interessanti.
L’équipe descritta che ha preparazione
e conoscenze multidisciplinari, ha la possibilità,
rispetto ad altre, di spaziare in diversi campi del
sapere e, di conseguenza, può introdurre nella
progettazione, tecnologie e soluzioni anche pensate
per situazioni differenti.
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Esperienza concreta di interdisciplinarità
o multidisciplinarità
Per realizzare in modo soddisfacente gli obiettivi di
ricerca è fondamentale, l’interdisciplinarità
intesa come collaborazione tra diverse figure professionali
quali l’ingegnere, il designer, il medico e il
fisico. Ciò che caratterizza le ricerche sviluppate
presso il Laboratorio di Robotica è la notevole
molteplicità di tematiche si passa infatti dalla
robotica alla telerobotica, da robot per lo spazio alla
sicurezza robotica, da dispositivi sperimentali per
la rilevazione parametrica alle protesi, dalla teleformazione
alla telesalute. Trattandosi di ambiti molto ampi si
manifesta la necessità di ricercatori altamente
specializzati, preparati nella soluzione degli specifici
problemi che il proprio campo di conoscenze propone.
Il gruppo di ricerca del Laboratorio di Robotica si
avvale della collaborazione di ricercatori, dottorandi
e studenti tesisti, provenienti da diverse discipline,
quali la meccanica, l’elettronica, l’informatica,
la biomedica, la medicina, la fisiologia, l’organizzazione
del lavoro.
In cooperazione con centri ospedalieri la ricerca è
rivolta allo sviluppo della robotica medica e chirurgica
ed alle applicazioni della simulazione con calcolatore
per la riabilitazione neuromotoria.
Una parte fondamentale del lavoro è lo sviluppo
di metodologie e soluzioni innovative, per la costruzione
di strumenti adeguati, semplici e utilizzabili da chiunque.
L’approccio multidisciplinare del Laboratorio
ha portato all’utilizzo di un nuovo metodo di
progettazione, in cui la corretta gestione delle tecnologie
e l’attenzione per le necessità vitali
dell’uomo, sono i due punti fondamentali.
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Biodesign: nuova disciplina
Il biodesign non è semplicemente il design applicato
alla medicina, ma costituisce una nuova disciplina in
quanto il concetto di interdisciplinarità, di
stretta collaborazione tra due saperi, quello del design
e quello delle scienze medico biologiche, è parte
integrante della sua stessa definizione.
Così come le altre discipline caratterizzate
dal prefisso “bio”, anche il biodesign utilizza
metodologie proprie del proprio campo di appartenenza,
il design, per cercare di risolvere quelli che sono
i problemi medico-biologici, affiancando gli altri specialisti
dell’équipe. Attualmente, anche con l’aiuto
di un design specifico, qual’è il biodesign,
si riescono a sviluppare nuove e più appropriate
tecnologie e ad applicare una cultura del progetto capace
di essere flessibile vagliando, dove é necessario,
la possibilità di servirsi di tecnologie esistenti
ed applicate in altri settori, adattandole a quello
biomedico.
L’approccio metodologico per la risoluzione dei
problemi posti, usato dal biodesigner, è simile
a quello della bioingegneria, naturalmente gli obiettivi
sono differenti in quanto quest’ultima è
indirizzata maggiormente agli aspetti tecnologici.
Il biodesigner, affiancato a quelle figure tradizionali
nella progettazione di dispositivi biorobotici, si occupa
dei problemi di compatibilità ad ogni livello.
La compatibilità non é solo riferita ai
materiali utilizzati, é infatti indispensabile
che esista una compatibilità di tipo fisico tra
l’oggetto e l’uomo, ma anche una di tipo
simbolico e semantico, al fine di evitare un rifiuto
di tipo psicologico.
Qualsiasi dispositivo per la cura della salute, si confronta
e si interfaccia con la persona che lo sta utilizzando.
Ergonomia e qualità d’uso sono aspetti
significativi nella progettazione del biodesigner. L’utente
spesso rifiuta l’uso di oggetti che sente estranei
al proprio corpo, anche se possono migliorarne le condizioni
di vita, questo perché nella progettazione viene
trascurato il rapporto che si instaura con i vari tipi
di dispositivi, che coinvolge sia il lato fisico che
quello psicologico. Se l’interfaccia uomo-protesi
viene trascurata si rischia che la persona senta di
essere ostacolata nel libero agire, non riuscendo a
compiere “naturalmente” le attività
per le quali l’artefatto è stato progettato.
L’artefatto é così il risultato
di una scelta progettuale rispetto alle esigenze espresse
dall’utente ed alle possibilità che sono
fornite dal sistema.
Il biodesigner all’interno dell’equipe che
lavora sui diversi progetti di ricerca ha il compito
di domandarsi quale possa essere il miglior modo per
armonizzare questi oggetti con il corpo, con la vita
dell’uomo e con un possibile stile di vita futuro.
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Progetti e ricerche innovative
La robotica fino a qualche anno fa ha migliorato soprattutto
la qualità del lavoro. Attualmente ciò
che caratterizza la ricerca robotica è che essa
è indirizzata a migliorare la qualità
di vita quotidiana.
Nel Laboratorio di Robotica si sviluppano tematiche
di ricerca sulla biorobotica, la robotica chirurgica,
la robotica per applicazioni spaziali, e sulla telerobotica.
Sono stati realizzati:
- il primo robot con comando vocale “Gilberto”,
- una mano meccanica robotica,
- guanti per controllo con retroazione sensoriale,
- robot per la chirurgia e per lo spazio,
- progetti di sistemi robotici per applicazioni industriali,
- applicazioni di programmi di simulazione e modellazione
con calcolatore
Tra le attività di ricerca biorobotica in corso
nel Laboratorio di Robotica, quella in collaborazione
con il Centro Protesi INAIL, è sicuramente interessante
ed esplicativa per quanto detto in precedenza.
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Prototipo
protesi d’arto |
Per l’originalità delle soluzioni adottate
questo progetto è propositivo e innovativo nel
settore protesico. Il progetto di un nuovo prototipo
di protesi d’arto inferiore a controllo elettronico,
tenendo conto delle esigenze del paziente, adotta
soluzioni meccaniche e informatico-elettroniche del tutto
innovative, al fine di permettere la modifica del tipo
di passo, passando da una camminata lenta ad una veloce,
in modo semplice ed immediato. La progettazione corretta
del meccanismo del ginocchio nella protesi d’arto
inferiore necessita di una serie di analisi atte a definire
le forme, i materiali e le modalità d’uso
dell’oggetto stesso, affinché quest’ultimo
soddisfi tutti i requisiti necessari.
Dal punto di vista bioingegneristico il sistema ginocchio
presenta le problematiche più interessanti. Le
protesi d’arto inferiore, allo stato attuale della
biomeccanica, sono delle protesi passive, cioè
non sono in grado di fornire autonomamente energia per
la camminata.
Nel design di questo sistema è fondamentale la
miniaturizzazione, che permette la riduzione del peso
complessivo della protesi.
L’interesse della ricerca sviluppata presso il
Laboratorio è di progettare e realizzare una
protesi con accumulo di energia, che permetta alla persona
amputata di eseguire movimenti anche complessi e per
quanto possibile simili a quelli naturali, mediante
l’ausilio di cinematismi diversi.
L’idea innovativa nasce dall’abbandono dei
consueti sistemi di attuazione pneumatica e oleodinamica,
e dall’adozione di un approccio basato sull’attuazione
elettromeccanica. La variazione del principio di funzionamento
del ginocchio è da attribuirsi ad una serie di
motivi che vanno dai problemi di trafilamento del fluido,
al peso dei sistemi di attuazione, per arrivare ad un
design costruttivo più semplice, con conseguente
maggiore affidabilità.
Il funzionamento ottimale di una protesi elettronica deve
fornire al paziente assoluta stabilità durante
il passo, sostenendone il peso e agevolandolo nelle varie
manovre. Per questo motivo è necessario poter regolare
la rotazione del ginocchio, arrivando anche ad impedirla
in particolari condizioni, e di poter immagazzinare energia
durante il passo per restituirla quando richiesto.
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Prova
del Prototipo |
Si è scelto quindi di utilizzare come strumento
di intervento un freno elettromagnetico il quale, unito
ad un riduttore, fornisca l’azione frenante sufficiente.
Si è inoltre previsto un elemento elastico che
consenta il ritorno degli organi in moto relativo attorno
all’articolazione del ginocchio.
La raccolta di informazioni sull’evoluzione del
passo è necessaria per il controllo del ginocchio
con l’azionamento del freno. Grande importanza ha
quindi non solo la rilevazione dei dati, ma anche la loro
corretta interpretazione. A questo scopo il sistema protesico
è stato dotato di sensori che rilevano il tipo
di informazioni da fornire ai fini del controllo dell’arto.
Al software di controllo è dunque richiesto di
riconoscere in che situazione si trova la protesi e come
sta camminando il paziente, agendo con un adeguato comando
sul freno. L’utilizzo di un microprocessore della
ST Microeletronics ha permesso di avere alcune caratteristiche
fondamentali, quali la rapidità di esecuzione,
la semplicità e la compattezza.
Si deve sottolineare che i criteri innovativi seguiti
in tutte le fasi del progetto costituiscono un complesso
di soluzioni originali e sotto molti aspetti inedite.
Nel loro insieme esse non trovano riscontro nelle protesi
attualmente in uso.
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Telecontrollo e telediagnostica
L’elevato grado di sensorizzazione del ginocchio
ne richiede una periodica taratura che può essere
eseguita solo dal personale specializzato del Centro Protesi
Inail. Ciò comporta per i pazienti, già
gravati da difficoltà di spostamento, la necessità
di doversi recare presso il Centro.
Si è sviluppato un sistema che permette di effettuare
una calibrazione a distanza del ginocchio, consentendo
al paziente di rimanere nella propria abitazione mentre
i tecnici effettuano la taratura.
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Prova
del Prototipo |
Il sistema di telecontrollo appositamente realizzato,
molto semplice ma estremamente versatile, consente di
semplificare alquanto la realizzazione del software delegato
alla trasmissione dei dati tra la gamba e il computer
di controllo.
Infatti, la fase di programmazione può essere affrontata
ignorando quale sarà il canale di trasmissione
dei dati, concentrandosi esclusivamente sulla loro gestione;
sarà poi il sistema di telecontrollo a veicolare
i dati oggetto di scambio su linea telefonica analogica.
Il sistema sviluppato nel Laboratorio di Robotica cerca
di trarre il massimo vantaggio dalla tecnologia attualmente
esistente, sopperendo con un semplice stratagemma hardware-software
alle carenze riscontrate. Due modem e un cavo creato appositamente,
denominato cavo TLC, sono le parti principali del sistema
di telecontrollo. Tuttavia il suo uso non è propriamente
semplice, e soprattutto è richiesto che l’utente
usi programmi prodotti da terze parti per comandare i
modem e stabilire la connessione. Queste considerazioni
hanno portato all’esigenza di sviluppare un software
che affiancasse il cavo, aiutando l’utente nel suo
uso attraverso indicazioni passo-passo, e automatizzando
alcune operazioni durante l’attivazione della connessione
telefonica. L’intero sistema presenta il massimo
della portabilità unitamente al minimo costo.
Un recente sviluppo per favorire la massima libertà
di movimento dell’utente è l’utilizzo
di telefonia cellulare GPRS o PDA e della tecnologia bluetooth.
Questa tecnologia ha la capacità di far dialogare
e interagire fra loro dispositivi diversi senza la necessità
di collegamenti via cavo, ciò che va sotto il nome
di wireless. In un sistema wireless la
trasmissione avviene principalmente via radiofrequenza
(RF) permettendo un corretto invio dei dati anche in presenza
di ostacoli.
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Daphne
Un altro dei progetti sicuramente interessante dal punto
di vista del miglioramento della qualità di vita
è il DAPHNE.
Il Daphne è un sistema biorobotico che attraverso
una rilevazione multiparametrica permette di diagnosticare
e monitorare la condizione neuro psico-motoria di una
persona sia essa sana oppure affetta da particolari patologie
del sistema nervoso quali ad esempio morbo di Parkinson,
ecc. Il sistema è caratterizzato da dimensioni
molto ridotte in modo tale da poter essere impugnato con
una sola mano; ha un’interfaccia semplice che ne
consente un utilizzo rapido e permette all’utente
di monitorare autonomamente ogni giorno il proprio stato
di salute.
I parametri vengono acquisiti mediante la pressione di
un pulsante.
Il design del Daphne è stato studiato tenendo in
considerazione l’impatto emotivo che il sistema
ha sul paziente sottoposto al test. Il sistema deve poter
essere utilizzato autonomamente dall’utente, senza
l’aiuto di uno specialista. Tenendo conto che l’utente
può essere affetto dal morbo di Parkinson, la forma
dell’impugnatura è stata messa a punto per
facilitare al massimo la presa. Su un display alfanumerico
vengono visualizzate in modo semplice tutte le funzioni
necessarie allo svolgimento della prova. Il numero dei
tasti è ridotto al minimo indispensabile per semplificare
la gestione delle scelte.
Caratteristiche
- Design dalle piccole dimensioni
- User friendly hardware
- Software tale che anche i non esperti siano in grado
di usare il dispositivo
Il sistema DAPHNE può essere usato:
- nello sport
- nel campo della salute quotidiana
- in applicazioni medicali
- per applicazioni mirate
Parametri coinvolti nella misura del movimento
- tempo di reazione
- velocità
- forza
- tremore
- coordinamento
- sincronismo
I risultati fino ad ora ottenuti sono particolarmente
positivi. Infatti, a seguito di differenti test, è
stato possibile notare come ogni individuo abbia un target
proprio di parametri sopra citati, a cui è associabile
una condizione di stato neuro-psicomotoria normale. Tutti
gli scostamenti da questa condizione sono imputabili a
fattori sia di natura fisico-corporea che di natura emotiva.
Il sistema applicabile nella clinica quotidiana, sia per
la diagnostica del livello di progressione di una patologia
che per l’analisi preventiva del suo possibile esordio
sarà di supporto ai metodi tradizionali. Gli obiettivi
progettuali fondamentali secondo cui deve essere realizzato
il sistema sono due. Il primo realizzando un’interfaccia
utente che sia il più amichevole possibile.
Il sistema quindi deve essere concepito, progettato e
realizzato per consentire un utilizzo rapido, semplice,
user friendly. L’idea di realizzare un sistema che
possa essere riposto in una piccola custodia e che sia
in linea con le normative europee è il secondo
degli obiettivi. La miniaturizzazione è la logica
conseguenza del processo di sviluppo che la microelettronica
ha subito negli ultimi anni. I simboli che caratterizzano
questo tipo di ricerca sono: riduzione delle componenti,
criteri di maneggevolezza, principi di ergonomia, introdotti
dal design con lo scopo di migliorare la relazione tra
uomo e oggetto.
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Chirurgia robotica e telechirurgia
Ultimo, ma non per questo meno interessante o complesso,
è il progetto di chirurgia robotica. Tra le applicazioni
più avanzate nel campo della bio-robotica la possibilità
di guidare, attraverso un computer, un braccio robotizzato
per effettuare delicati esami o interventi, che richiedono
notevole precisione è uno dei settori di sviluppo
più promettenti nell’utilizzo applicativo
dei robot. Se nella robotica industriale l’Italia
brilla da tempo non c’è invece una realtà
produttiva italiana in campo medico: per ora limitata
ai prototipi realizzati dalle università, in particolare
dal Laboratorio di Robotica, pioniere del settore.
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Robot per chirurgia |
E’ stato sviluppato, da alcuni anni nel Laboratorio,
un sistema per l’esecuzione di biopsie, basato su
di un robot ABB a sei gradi di libertà e su sistemi
di localizzazione realizzati per interfacciare il manipolatore
con lo strumento diagnostico utilizzato.
Rispetto ad altri lavori relativi alla robotica chirurgica
per applicazioni di biopsia alla prostata ed ad altri
organi, il presente lavoro di ricerca è originale
poiché integra le immagini ecografiche o radiologiche
che si ricevono dagli strumenti diagnostici con l’attitudine
del robot a perseguire il raggiungimento dei punti indicati
dal chirurgo.
Ma quali sono i vantaggi dell’utilizzo di un robot?
Il robot non si sostituisce totalmente il chirurgo durante
le operazioni, però può essere impiegato
in alcune fasi dell’intervento, soprattutto qualora
siano richieste perfezione massima o velocità di
esecuzione. L’utilizzo di robot diminuisce il tempo
di intervento e la possibilità di errori. L’estrema
precisione dell’intervento che elimina il tremore
della mano del chirurgo, è la caratteristica che
innalzerà la percentuale di successo di molti interventi.
Il vantaggio di applicazioni di robot in chirurgia oltre
all’estrema precisione è il fatto che il
sistema meccanico non è soggetto a stanchezza fisica.
Poi c’è la ripetitività dell’intervento,
molto utile per il confronto scientifico e la didattica.
Infine la possibilità di seguire in interventi
a migliaia di chilometri di distanza con un esperto che
si può trovare in qualsiasi parte del mondo. Il
robot per operazioni chirurgiche, infatti, può
essere guidato distanza dal chirurgo. Il chirurgo definisce
sul monitor dell’ecografo o della tac il punto sul
quale intervenire, e cliccando sullo schermo con il mouse,
muove il robot che esegue l’operazione seguendo
gli step predefiniti dal controllo software. Caratteristiche
sono quindi: l’affidabilità, la ripetibilità,
la sicurezza operativa.
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Robot
per chirurgia |
Un altro aspetto fondamentale è la sicurezza che
è certamente un punto chiave nel progetto del sistema
robotizzato di ausilio alla chirurgia, tanto più
che non esistono standard per utilizzo dei robot in questo
campo. Più i sistemi si fanno complessi ed autonomi,
più risulta necessario prevedere dispositivi di
sicurezza efficaci. Nel caso di utilizzo in ambienti industriali
il robot si trova in zone vietate al pubblico e protette,
in un impiego chirurgico, è ovvia la sua coesistenza
con persone con le quali deve entrare anche in contatto.
Sono stati pertanto necessari studi approfonditi sui movimenti
del robot, arrivando ad imporre limiti meccanici imposti
agli assi in modo che il robot non possa raggiungere zone
pericolose per medico o paziente; e qualora non sia possibile
comunque limitare fisicamente lo spazio di lavoro, allora
si ricorre ad istruzioni software che controllino la fuoriuscita
da una ben determinata “area di sicurezza”
e blocchino immediatamente il movimento del robot.
Attualmente sono diversi i robot per applicazioni mediche.
Distribuiti nei diversi ospedali italiani vi sono robot
che aiutano il chirurgo nelle esecuzioni di laparoscopie,
di operazioni neurochirurgiche, di operazione ortopedica
(protesi d'anca, articolazioni di ginocchio) e operazioni
cardiologiche.
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Conclusioni
Attualmente una delle aree di ricerca più
interessanti a cui si sta dedicando il Laboratorio di
Robotica nel campo dei dispositivi bio-robotici, è
l’applicazione dei dispositivi MEMS. Il sistema
MEMS è un chip di dimensioni molto piccole, che
contiene il sensore e parte dell’alimentazione.
L’utilizzo di questi microsensori ha portato ad
una fase evoluta della ricerca in cui i dispositivi diventano
sempre più piccoli.
Le ricerche che si stanno impostando ultimamente in Laboratorio
sono indirizzate all’applicazione di micro (MEMS)
e nanotecnologie (NEMS) in sistemi bio-robotici. I due
settori in cui c’è il maggiore interesse
per l’applicazione di queste tecnologie avanzate
sono lo spazio e il controllo delle condizioni psico-fisiche
delle persone. La nanotecnologia è una tecnologia
ai suoi primi passi, e potenzialmente possiede le caratteristiche
per produrre profondi cambiamenti nel futuro.
La bio-robotica cresce e avanza in direzioni diverse sviluppando
robot sofisticati da una parte e meccanismi super utili
dall’altra, inseguendo sempre lo stesso fine che
è quello di migliorare la qualità di vita
delle persone.
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Siti interessanti
http://robotica.mecc.polimi.it
Sito del Laboratorio di Robotica, Politecnico di Milano
http://www.inail.it
- Inail
http://www.inail.it/medicinaeriabilitazione/medicinariabilitazione.htm
INAIL Centro Protesi;
http://www.ottobock.it
Otto Bock, produzione protesi e ausili
http://gift.irmkant.rm.cnr.it/robchir/stato.html
Licinio Angelini, Vassilios Papaspyropoulos, Università
degli Studi "La Sapienza" di Roma - Istituto
di IV Clinica Chirurgica
http://rcs.ee.washington.edu/BRL/
University of Washington Biorobotics Laboratory
http://www.healthtech.com
Sito del BioMems and Biomedical Nanotech Center, Berkeley,
Columbus Ohio, diretto dal prof. M. Ferrari
http://www.imeddinc.com
Società di ricerca in ingegneria biomedica del
prof. M. Ferrari
http://www.nano.me.berkeley.edu
http://www.nano.gov
Sito ufficiale del governo Usa sulla ricerca nel campo
delle nanotecnologie
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