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Biorobotica: che cos’è e a cosa serve Prototipo di robot - Credit: iStock
GREEN 24 luglio 2021

Biorobotica: che cos’è e a cosa serve

di Maura Corrado

Robot sempre più smart da utilizzare soprattutto in campo medico e, in alcuni casi, sempre più simili a uomini e animali.

 

La biorobotica (o robotica biomedica) è una nuova disciplina scientifico-tecnologica che fonde bioingegneria e robotica.

Più in particolare, è la scienza della progettazione e della realizzazione di sistemi robotici di ispirazione biologica e di applicazione principalmente (ma non solo) in campo biomedico. È una materia caratterizzata da profondi connotati interdisciplinari, che vanno da numerosi settori dell'ingegneria alle scienze di base e applicate (in particolare medicina, neuroscienze, economia, bio- e nanotecnologie), senza trascurare le discipline umanistiche (filosofia, psicologia, etica).

Per approfondire l'argomento sulla Biorobotica leggi l'articolo su Macchine Volanti!

 

 

Gli obiettivi della biorobotica

L’obiettivo è utilizzare questo insieme di conoscenze multidisciplinari per sviluppare tecnologie innovative sia per la progettazione e la realizzazione di macchine e sistemi bio-ispirati (di dimensioni macro, micro e nano) caratterizzati da prestazioni molto avanzate (ad esempio robot 'animaloidi' e 'umanoidi'), sia per sviluppare dispositivi, da riprodurre anche su scala industriale, per applicazioni biomediche, in particolare per la chirurgia mini-invasiva, la riabilitazione e l'assistenza a persone disabili e anziane. Anche se sembra una disciplina “futuristica” e iper-contemporanea, l’ingegneria biomedica (a cui la biorobotica fa riferimento) ha una lunga storia. Infatti, uno dei primi esempi è una protesi di alluce in legno e pelle trovata su una mummia egiziana di 3000 anni fa.

 

 

Campi di applicazione della biorobotica

La diffusione della biorobotica in ambito medico è iniziata negli anni Novanta con lo sviluppo di macchine per la chirurgia, la riabilitazione e la prostetica. La chirurgia robotica, ad esempio, viene effettuata attraverso dispositivi e piattaforme in grado di riprodurre i movimenti della mano umana, in campo operatorio. I dispositivi bio-robotici offrono diversi vantaggi, come l’ampliamento delle capacità dell'operatore: il comando degli strumenti con semplici movimenti della mano consente al chirurgo di superare i limiti delle tecniche tradizionali. È inoltre possibile eliminare i tremori fisiologici delle mani, attraverso l'uso di strumentazioni collegate alla consolle di comando. Grazie ad un impiego sempre più largo dell’intelligenza artificiale, la biorobotica consente poi una maggiore velocità nelle operazioni, interventi sempre meno invasivi e un aumento della precisione. Ad esempio i robot hanno la capacità di aiutare i chirurghi a evitare muscoli e nervi durante le operazioni. Ultimo vantaggio, ma non meno importante, un maggiore comfort del chirurgo durante l'operazione, grazie all'ergonomia dei dispositivi. Presto i robot saranno in grado di gestire anche procedure di minore rilevanza, come la sutura.

 

 

Diagnosi e riabilitazione

Nel campo della diagnosi l’uso di sistemi bio-robotici consente sia di esplorare parti del corpo umano difficilmente accessibili in altro modo, sia di ridurre l'invasività dell'intervento diagnostico, così da alleviare il disagio fisico e psicologico del paziente. Passiamo al supporto alle terapie riabilitative. Un sistema robotico è in grado di intensificare le ore di trattamento, di misurare le performance del paziente dopo una seduta o di personalizzare il trattamento sulla base delle caratteristiche del paziente. La biorobotica viene usata anche nella riabilitazione cognitiva, soprattutto in pazienti affetti da autismo. Lo scopo è realizzare interfacce semplici e intuitive, inclusi i dispositivi per la simulazione di espressioni facciali, con l'obiettivo di stimolare il soggetto a interagire e comunicare le proprie emozioni.

 

 

L’esoscheletro 

Come esempio di biorobotica diffuso su scala sempre più larga c’è l’esoscheletro, apparecchio robotico indossabile che, fungendo da arto artificiale, consente di migliorare la qualità della vita di persone affette da gravi disabilità alle gambe o di persone con scarsa mobilità (come pazienti colpiti da ictus o con lesioni alla spina dorsale) che devono affrontare complessi percorsi di riabilitazione. Nei prossimi anni l’esoscheletro verrà sempre più utilizzato come strumento di supporto non solo per persone affette da disabilità motoria, ma anche per soggetti anziani e adulti che svolgono lavori usuranti. A differenza delle protesi meccaniche, l’esoscheletro non sostituisce gli arti, ma aumenta, rafforza o ripristina la prestazione fisica umana. 

 

 

Come si usa

L’esoscheletro accompagnerà dunque l’invecchiamento della popolazione, aiutando gli anziani a migliorare l’efficienza motoria, a sentire meno la fatica e a mantenersi in allenamento. Un esoscheletro è composto da un guscio esterno, che può essere realizzato in materiale duro, come il metallo o la fibra di carbonio, o in materiale morbido ed elastico come il tessuto. Alcuni esoscheletri sono dotati di sensori che monitorano e rispondono ai movimenti di chi lo indossa, oppure possono essere completamente passivi. Possono essere motorizzati (con batteria) o meccanici. Infine, esistono esoscheletri mobili e fissi. Alcuni coprono il corpo intero, altri si applicano solo a segmenti specifici come il bacino o le caviglie.

 

 

I robot bio-ibridi

L’ultima frontiera della biorobotica è rappresentata dai robot bio-ibridi, apparecchi da impiegare in diversi settori, tra cui quello militare. Si tratta di robot non convenzionali, il cui movimento non è determinato da motori artificiali, come in quasi tutti i dispositivi attuali, ma da cellule viventi, come batteri, cellule cardiache o cellule muscolari scheletriche, che sono integrate all’interno del dispositivo artificiale. Il vantaggio principale risiede nello sfruttare le caratteristiche uniche delle cellule viventi, ottimizzate da milioni di anni di evoluzione naturale. Queste consentono movimenti fluidi ed efficienti sia in macro che micro-scala e inoltre, essendo costituiti da cellule e tessuti viventi, sono intrinsecamente morbidi, flessibili e deformabili.

Risultano quindi un’ottima soluzione per lo sviluppo di robot non rigidi, capaci di eseguire compiti in modo più elegante e fluido rispetto ai robot tradizionali. Le cellule viventi, poi, sono alimentate chimicamente da glucosio e altri nutrienti, quindi non richiedono l’utilizzo di batterie: un fattore che consente una miniaturizzazione estrema di questi robot, processo che invece non sarebbe possibile utilizzando motori completamente artificiali. L'idea è di mettere a punto macchine più efficienti e più flessibili, per esempio in grado di correre a velocità sostenuta su terreni diversi, proprio come un animale che adatta muscoli e postura alle asperità del terreno per non cadere. Attualmente, negli Stati Uniti, sono in corso delle sperimentazioni su un prototipo di robot a quattro zampe utilizzato nell'ambito di ricerche militari. Potrebbe essere la prima macchina equipaggiata con muscoli bio-ibridi.

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