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Robot chirurgico? Il cuore sta nei micromotori

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Attualità

Robot chirurgico? Il cuore sta nei micromotori

La miniaturizzazione dei micromotori elettrici è uno degli aspetti abilitanti per lo sviluppo di strumenti e sistemi robotici in ambito medicale. Anche in Italia vi sono realtà che dispongono delle competenze necessarie a supportare le aziende nello sviluppo e nella progettazione di nuove soluzioni.

26 Nov 2021

di Riccardo Florio

I temi della robotica e dell’automazione in ambito chirurgico e medico sono da sempre al centro dell’immaginario collettivo e, negli ultimi anni, molti passi in avanti sono stati compiuti in relazione ad alcuni degli aspetti abilitanti, rendendo sempre più vicini scenari in precedenza solo futuribili.

È facile intuire che l’utilizzo pervasivo di un sistema robotico per le operazioni chirurgiche garantisce un livello di precisione e ripetibilità non raggiungibile neppure dalla mano più ferma di un chirurgo. Inoltre, apre anche la strada al tema delle operazioni da remoto e alla delocalizzazione del chirurgo.

Tuttavia, non ci sono solo gli aspetti tecnologici di cui tenere conto. Vanno considerati, per esempio, la disponibilità del paziente, così come gli aspetti di tipo giuridico: se un paziente operato da un robot muore di chi è la responsabilità? Di chi muove i robot, del tecnico di manutenzione, del software?

Ci vorrà ancora diverso tempo prima che si possa delegare interamente a un robot un intervento chirurgico ma, nel frattempo, i medici hanno a diposizione strumenti sempre più precisi e affidabili per consentirgli di intervenire in modo sempre più efficace.

Una nuova generazione di motori miniaturizzati

A livello tecnologico, le problematiche da affrontare nello sviluppo di soluzioni automatizzate di tipo medico ruotano meno attorno all’elettronica di controllo e più agli aspetti di tipo elettromeccanico. Il tema della continua miniaturizzazione dei motori, per esempio, resta uno dei fattori centrali da affrontare.

Già oggi sono disponibili micromotori con diametro di poco superiore a 1 millimetro, che vengono utilizzati in applicazioni chirurgiche a minima invasività. Per esempio, per la pulizia e l’asportazione chirurgica dei residui di colesterolo all’interno delle arterie mediante micro-frese, inserite tramite un cavo all’interno dell’arteria stessa. Passando a taglie un po’ più grandi, possiamo ricordare gli strumenti utilizzati nelle applicazioni di ortodonzia e implantologia dentale che si avvalgono di motori che possono avere un diametro di 10-12 mm. La realizzazione di tutti questi micromotori richiede assemblaggi ultra-specializzati, effettuati utilizzando un microscopio e strumenti specifici.

L’esigenza di miniaturizzazione non può, però, venire a patti con altri aspetti altrettanto essenziali quali le prestazioni, la robustezza, l’affidabilità, la precisione e persino la rumorosità.

Per coniugare le esigenze di miniaturizzazione con quelle di alta velocità, rapidità di risposta, elevata coppia e basso livelli di vibrazioni è stato sviluppato il motore di tipo “coreless”. Come suggerisce il nome, si tratta di un tipo di motore progettato in modo da non richiedere il nucleo centrale (core) in ferro nel rotore, risultando più piccolo, più leggero e con un minore momento d’inerzia. Inoltre, l’assenza del nucleo elimina l’effetto denominato “cogging” (legato all’ attrazione tra il nucleo e i magneti permanenti) aumentando la rapidità di risposta, garantendo una rotazione più regolare e riducendo il rumore e le vibrazioni.

Un’altra innovazione sul versante dei micromotori utilizzabili in ambito chirurgico e medicale è stata l’eliminazione delle spazzole (brushless) per realizzare il contatto meccanico, in favore di soluzioni più efficienti che favoriscono l’alta velocità, un’elevata risposta dinamica in accelerazione e riducono il deterioramento del motore e, di conseguenza, ne aumentano l’affidabilità nel tempo.

Vanno poi considerati altri aspetti, meno evidenti, per garantire l’affidabilità e la robustezza nel tempo dei motori utilizzati in ambito medicale. Per esempio, va ricordato che dopo ogni utilizzo, uno strumento medicale deve essere sottoposto a un processo di sterilizzazione. È quindi essenziale che i micro componenti elettromeccanici siano certificati per supportare, senza subire alcuna modifica delle funzionalità o del livello di precisione, un numero non inferiore a 500 cicli di trattamento in autoclave, dove vengono sottoposti a elevate temperature e vuoto spinto: una capacità legata ai materiali e ai tipi di lubrificanti utilizzati.

F&C Solutions: un punto di riferimento italiano per progetti di robotica miniaturizzati e complessi

La maggior parte delle soluzioni di automazione e robotica in ambito chirurgico e medicale vengono sviluppate negli Stati Uniti e in Giappone, ma anche in Italia esistono realtà che hanno la competenza e l’esperienza necessarie per supportare progetti complessi.

Tra queste va, certamente, ricordata F&C Solutions, che da molti anni rappresenta un punto di riferimento importante per tutte le aziende che devono confrontarsi con le sfide correlate allo sviluppo di soluzioni che richiedono l’uso di micromotori.

È proprio la diversificazione delle applicazioni affrontate che consente a F&C di essere un partner in grado di fornire consulenza progettuale, anziché un semplice riferimento commerciale. Anche in un settore molto verticale come è quello degli strumenti medicali.

“Il nostro valore aggiunto – spiega Claudio Feré, Business Developer di F&C Solutions – è una competenza trasversale nell’affrontare soluzioni che interessano tutti i settori merceologici possibili e che hanno sempre un elevato livello di personalizzazione. Ogni progetto che affrontiamo ci vede, innanzitutto, impegnati a studiarne le peculiarità e definirne i criteri di progettazione per ottenere il risultato migliore. È solo a questo punto che ci preoccupiamo di individuare i prodotti e i “brand” ottimali per realizzarlo: sia in base a criteri di qualità ed eccellenza sia alla nostra capacità maturata negli anni di capire le specifiche richieste dei clienti nei diversi settori di mercato. Per questo motivo, il nostro ruolo non si ferma a quello di fornitori di componenti, ma diventa quello di veri e propri consulenti che aiutano delle aziende a indirizzarsi verso le tecnologie e i fornitori ottimali per rispondere alle loro esigenze”.

Micromotori e robotica nelle applicazioni chirurgiche e medicali

I micromotori sono applicati con successo in numerosi dispositivi medici, ognuno caratterizzato da specifici requisiti.

I dispositivi di taglio chirurgici utilizzano motori specifici con avvolgimento coreless in cui sono fondamentali le caratteristiche di coppia elevata (sinonimo di rapidità di risposta), alta efficacia ed eccellenti proprietà di regolazione dinamica/statica della velocità per applicazioni che comprendono: taglio (sega), foratura (trapano) e alesatura (fresa).

I micromotori utilizzati nelle pompe per insulina, nelle pompe di infusione e in quelle di iniezione di medicinali, sono caratterizzati da una struttura compatta e devono garantire, soprattutto, prestazioni stabili, eccellente precisione di localizzazione e ripetibilità del movimento, per garantire un rigoroso controllo della quantità di infusione e un’operatività continua e stabile nel tempo.

Motori passo-passo, servomotori e motori coreless possono trovare utilizzo anche in dispositivi per le analisi di laboratorio; per esempio, all’interno dei sistemi per l’analisi del sangue (nelle operazioni di carico automatizzato e localizzazione ad alta precisione) o nei sistemi di agitazione delle pipette per migliorare velocità, durata e precisione.

Ai motori utilizzati nella realizzazione di arti artificiali intelligenti viene richiesto, soprattutto, di garantire robustezza, presa meccanica efficiente, precisione nel controllo e ridotto consumo elettrico (essendo alimentati a batterie). Anche in questo caso, i vantaggi dei motori coreless trovano largo consenso.

Anche la recente pandemia ha richiesto l’utilizzo di micromotori per la realizzazione dei sistemi di insufflazione dell’aria, utilizzati nei respiratori (blower). Per questo tipo di applicazioni, vengono utilizzati motori coreless brushless per garantire una pressione stabile dell’aria insufflata, favorire una lunga durata e ridurre al minimo rumorosità e vibrazioni, poiché vanno collocati molto vicino al paziente.

Altre applicazioni comprendono la realizzazione di collimatorimultileaf”, che sono sistemi utilizzati per la modellazione dei fasci nella radioterapia e che richiedono un posizionamento a elevatissima precisione. Motori di precisione di tipo coreless in corrente continua sono utilizzati anche nei sistemi di controllo del cristallino, per garantire che il Tester funzioni senza intoppi, fornisca misurazioni accurate, abbia una durata di servizio prolungata e un’elevata affidabilità.

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“I micromotori – conclude Ferè – sono il cuore di sistemi robotici e di automazione più complessi, che richiedono anche una meccanica di precisione particolare o lo sviluppo di un’elettronica dedicata. I nostri clienti ci chiedono suggerimenti sulla messa a punto delle loro soluzioni e, in alcuni casi, delegano a noi anche la relazione con gli altri partner coinvolti. Per questo motivo, abbiamo un’altissima fidelizzazione dei clienti: chi ci consce e opera con noi, resta con noi”.

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Riccardo Florio

Giornalista

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