Sezioni Tematiche

Editoriale

Promuovere
le Diverse Abilità

Pensare... per Tutti

Progetti per una Vita più Facile

Tecnologia
& Riabilitazione


Testimonianze

L'Opinione

L'Intervento

 
 
La ricerca che è volta a superare i limiti fisici dell’uomo trova una concretizzazione nello studio di oggetti che migliorano le attività umane; la robotica, che fino a qualche anno fa ha migliorato soprattutto la qualità del lavoro, è attualmente indirizzata a migliorare la qualità di vita quotidiana delle persone con limiti fisici o sensoriali.
Nel Laboratorio di Robotica del Politecnico di Milano si sviluppano tematiche di ricerca sulla biorobotica, la robotica chirurgica, la robotica per applicazioni spaziali, e sulla telerobotica. Una parte fondamentale del lavoro è lo sviluppo di metodologie e soluzioni innovative, per la costruzione di strumenti adeguati, semplici e utilizzabili da chiunque.


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.
Torna allindice >>


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.
Torna allindice >>


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.
Torna allindice >>


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.
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.
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.
Torna allindice >>


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.
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.
Torna allindice >>


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.
Torna allindice >>


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.
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.
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.
Torna allindice >>


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.
Torna allindice >>


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

Torna allindice >>


 
Cerca nel sito
 
 
Il Biodesign nella progettazione di sistemi bio-robotici

L’Istituto Italiano Design e Disabilità

Il Progetto PACKAGE

 
 
Segnala tramite email >>