Biomeccatronica

La biomeccatronica è la branca comune alla bionica e alla meccatronica che si occupa di riprodurre con tecnologie cibernetiche le funzioni motorie degli organismi viventi.

Esempi di applicazioni sull'organismo umano sono i dispositivi e gli apparati per il recupero o il potenziamento della locomozione: arti o parti di arti artificiali a controllo volontario, esoscheletro.

Definizione e storia

La biomeccatronica è una scienza applicata e interdisciplinare che unisce la biologia, la meccanica e l'elettronica (integrando i principi della meccatronica con le scienze biologiche) con l'obiettivo di progettare e realizzare dispositivi in grado di interagire in modo bidirezionale con l'organismo umano o animale. A differenza della robotica tradizionale, la biomeccatronica non punta semplicemente ad automatizzare compiti esterni, ma cerca di fondere strutture meccaniche ed elettroniche con l'apparato muscolo-scheletrico e il sistema nervoso dei soggetti riceventi.

La disciplina ha vissuto una forte accelerazione a partire dai primi anni duemila, trainata dai progressi della microelettronica, della scienza dei materiali bio-compatibili e delle neuroscienze, permettendo il passaggio da semplici protesi passive a sistemi biomeccanici complessi e "intelligenti" capaci di elaborare segnali in tempo reale.

Componenti fondamentali

L'interazione tra l'apparato biologico e la macchina biomeccatronica si basa su un ciclo continuo di feedback (anello chiuso o *closed-loop*), che si articola attraverso quattro componenti funzionali principali:

• Biosensori: hanno il compito di intercettare le intenzioni di movimento dell'utente. Catturano i segnali biologici emessi dal sistema nervoso o muscolare, come i segnali mioelettrici tramite elettromiografia (EMG) o i segnali cerebrali tramite elettroencefalografia (EEG).
• Sensori meccanici: misurano le informazioni fisiche esterne relative al dispositivo stesso e all'ambiente circostante, monitorando costantemente variabili quali la forza esercitata, l'angolo di inclinazione delle articolazioni, lo spostamento spaziale e la velocità di movimento.
• Controllore (Unità di elaborazione): rappresenta il "cervello" elettronico del sistema. Traduce e decodifica i segnali biologici captati dai biosensori e, incrociandoli con i dati dei sensori meccanici, elabora istantaneamente gli impulsi di comando da inviare alle componenti meccaniche.
• Attuatori: sono i motori o i muscoli artificiali che convertono l'impulso elettrico elaborato dal controllore in una forza meccanica o in un movimento effettivo, permettendo alla protesi o all'esoscheletro di compiere l'azione fisica desiderata dall'utente.

Ambiti di applicazione

I principali filoni applicativi della biomeccatronica includono:

• Protesi bioniche attive: arti superiori e inferiori in grado non solo di muoversi fluidamente recependo gli impulsi muscolari residui del paziente, ma anche di restituire stimoli tattili o propriocettivi al sistema nervoso dell'utilizzatore, ricreando un vero e proprio senso del tatto.
• Esoscheletri robotici: strutture robotiche indossabili progettate per supportare il movimento degli arti. Trovano largo impiego sia in ambito clinico per la riabilitazione motoria di pazienti con disabilità o traumi midollari, sia in contesti industriali e militari per l'incremento delle capacità di carico e la riduzione dello stress muscolo-scheletrico.
• Organi artificiali bioibridi: dispositivi biomedici miniaturizzati inseriti all'interno del corpo umano per sostituire o supportare stabilmente funzioni biologiche compromesse, come nel caso dei sistemi di assistenza ventricolare o di micro-dispositivi diagnostici attivi.

Centri di ricerca e sviluppo

A livello internazionale, lo sviluppo della disciplina è guidato da laboratori accademici altamente specializzati. Tra i più rilevanti si distinguono il *Biomechatronics Research Group* presso il MIT Media Lab di Boston, diretto dallo scienziato Hugh Herr, focalizzato sulla progettazione di protesi d'avanguardia ispirate alla natura e sull'azzeramento delle disabilità fisiche.

In Italia, un ruolo di primo piano a livello globale è ricoperto dall'Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa (con centri d'eccellenza distribuiti a Pontedera e in Toscana), dove vengono progettate mani bioniche controllate dal pensiero, sensori tattili artificiali e tecnologie robotiche assistive volte al recupero funzionale della persona.

Note

Voci correlate

• Meccatronica
• Biomimetica
• Robotica

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