Robot medici dalla stampante

Prototipo del robot medico stampato in 3D. (Fonte: Photothèque ICube / A. Morlot) / Prototype del robot medico generato dalla stampante 3D. (© Photothèque ICube / A. Morlot)

Pistoni stampati in 3D per il meccanismo di azionamento idraulico. (Fonte: Marius Siegfarth) / 3D-printed pistons for the hydraulic drive mechanism. (© Fraunhofer IPA / Marius Siegfarth )

Per la terapia dei tumori del futuro, cinque team di ricerca internazionali stanno sviluppando un robot. Sebbene sia composto da decine di componenti, articolazioni e attuatori con diverse proprietà dei materiali, può essere prodotto con un processo di stampa 3D in un'unica fase.

Basta un semplice clic, il resto lo esegue autonomamente la stampante 3D. Analogamente a una stampante a getto d'inchiostro, viene spruzzata una sostanza liquida su una superficie. Invece di colori diversi, la stampante PolyJet utilizza plastica: gli ugelli possono applicare singolarmente o mescolati due diverse soluzioni polimeriche con precisione puntuale. La luce UV indurisce le plastiche prima che venga applicato il successivo strato. Così si forma, strato dopo strato, un robot medico. Quando lo sviluppo sarà completato, il robot dovrebbe assistere i medici nell'estrazione di campioni di tessuto e nel trattamento termico dei tumori.

«La posizione di un ago o di una sonda in un intervento minimamente invasivo è un compito particolarmente difficile, poiché il medico può orientarsi al meglio con l'aiuto di immagini di tomografia computerizzata o di risonanza magnetica – e questo significa che deve lavorare mentre il paziente si trova in un tubo stretto. Quasi nessun movimento è possibile», spiega Marius Siegfarth del gruppo di progetto per l'automazione in medicina e biotecnologia (PAMB) dell'Istituto Fraunhofer IPA presso la Facoltà di Medicina di Mannheim dell'Università di Heidelberg.

Il robot, sviluppato dal suo team insieme ad altri quattro gruppi di ricerca provenienti da Germania, Francia e Svizzera nel progetto SPIRITS, è così piccolo e leggero che può essere inserito nel tubo insieme al paziente. Può essere controllato tramite un sistema idraulico dall'esterno – il medico può quindi sedersi a pochi metri di distanza, anche in un'altra stanza, dove è protetto dai raggi durante una tomografia computerizzata. L'acronimo SPIRITS sta per Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery.

«La sfida del progetto consisteva nello sviluppare un design che potesse essere prodotto con una stampante PolyJet in un'unica fase, ma che fosse composto da componenti completamente funzionali – ad esempio, articolazioni rotanti con attuatori idraulici e un sistema di alimentazione per l'inserimento dell'ago. Tutti questi componenti hanno proprietà dei materiali diverse», spiega Siegfarth.

All'Istituto nazionale delle scienze applicate di Strasburgo, INSA, dove viene coordinato il progetto SPIRITS, la stampante 3D PolyJet sta già producendo i primi prototipi. Questi sono dotati di leve collegate tramite articolazioni. Con esse, è possibile ruotare un ago attorno al punto di inserimento in tutte le direzioni spaziali. Per l'alimentazione, si utilizza un sistema idraulico, una sviluppo dei ricercatori PAMB: tubi minuscoli con diametri di appena 4 millimetri, guarnizioni e pistoni. La particolarità: i pistoni sono stati progettati tramite tecnologia di stampa 3D in modo che la pressione idraulica agisca sulla guarnizione e ne rafforzi l'effetto.

I primi test dimostrano che l'attuatore idraulico prodotto con la stampante 3D funziona. Nei prossimi mesi, verranno integrate ulteriori componenti nel prototipo: ad esempio, l'ago intelligente con sensore di forza, sviluppato dall'École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL. Il meccanismo di avanzamento dell'ago è stato elaborato dai ricercatori INSA. A questo si aggiunge la «retroazione tattile». Essa trasforma i risultati delle misurazioni del sensore di forza in resistenze che il medico percepisce quando guida l'ago attraverso tessuti più morbidi o più duri. Questa retroazione è stata sviluppata da ricercatori dell'Università di Furtwangen. E presso la Hochschule für Technik FHNW stanno attualmente sviluppando componenti metallici stampabili, non magnetizzabili, per la prossima generazione di prototipi.

Il primo robot medico completamente stampato dovrebbe essere testato su manichini entro la fine del 2019.

Con un budget complessivo di 1,67 milioni di euro, SPIRITS è cofinanziato dal programma INTERREG V Oberrhein con 436.201 euro dal Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR). Nell'ambito dell'iniziativa «Offensive Sciences», che finanzia progetti di ricerca di eccellenza transfrontalieri, il progetto è inoltre supportato da partner regionali e cantonali. Così, il progetto è cofinanziato dalla grande regione dell'Est, dal Land Baden-Württemberg, dal Land Rheinland-Pfalz, dalla Confederazione Svizzera, dal Cantone Argovia, dal Canton Basilea Città e dal Canton Basilea-Landschaft.