Cuscinetti in ceramica per robot medici

Aug 16, 2023

di Chris Johnson

13 giugno 2023

14:00

Chris Johnson, amministratore delegato di SMB Bearings, fornitore specializzato di cuscinetti in ceramica, spiega perché i cuscinetti in ceramica ad alta precisione rappresentano la risposta.

Phonlamai Foto Shutterstock

Sala operatoria con rendering 3d con chirurgia robotica e letto vuoto

I robot sono in aumento negli ambienti medici e vengono sempre più utilizzati per eseguire procedure più complesse. Sebbene gli acciai inossidabili martensitici siano stati preferiti per i cuscinetti nelle applicazioni robotiche, le loro prestazioni sono inferiori rispetto agli standard sempre più elevati per prevenire la contaminazione negli ambienti medici.

L’analista GlobalData prevede che il mercato della robotica medica aumenterà da 4,7 miliardi di dollari nel 2020 a 14,5 miliardi di dollari nel 2030, e questi robot “saranno considerati più come compagni che forniscono supporto emotivo, piuttosto che visti come strumenti”. La citazione si riferisce al fatto che l’intelligenza artificiale (AI) sta diventando sempre più avanzata, consentendo ai robot di offrire un supporto terapeutico sempre maggiore ai pazienti in modi che oggi non possiamo immaginare e di contrastare la carenza di personale.

Dai robot di assistenza chirurgica che aiutano a eseguire interventi chirurgici minimamente invasivi, ai robot terapeutici dotati di intelligenza artificiale utilizzati nella riabilitazione per lesioni e paralisi, i robot medici hanno fatto molta strada da quando sono state introdotte per la prima volta le semplici tecnologie dei bracci robotici negli anni '80. Sebbene i robot chirurgici stiano diventando più economici, anche le moderne applicazioni mediche richiedono maggiore precisione e velocità da parte di questi robot.

Tradizionalmente, negli strumenti medici, i cuscinetti – che ottimizzano la rotazione degli assi come i bracci dei robot limitando o evitando attriti e sobbalzi – sono stati realizzati con metalli di elevata purezza come l’acciaio inossidabile martensitico. Gli esempi includono i robot medici che aiutano a intraprendere la chirurgia del buco della serratura dove è richiesta la massima precisione. I cuscinetti dei robot chirurgici devono garantire la massima precisione di rotazione possibile, pur essendo sufficientemente piccoli da poter essere inseriti in questi dispositivi ospedalieri, spesso compatti e portatili.

Tuttavia, i cuscinetti in acciaio presentano limitazioni, inclusa la contaminazione. Sebbene i cuscinetti in acciaio siano robusti e in grado di resistere ad ambienti altamente corrosivi, sono suscettibili alla contaminazione da particolato a causa delle pressioni di contatto molto elevate contro l'acciaio all'interno del cuscinetto mentre si muove. Se non controllata, questa contaminazione può causare ammaccature e usura.

Naturalmente, la contaminazione in generale è inaccettabile negli ambienti sanitari e di sicurezza. Con la crescente diffusione dei robot nelle applicazioni mediche, le normative stanno diventando sempre più severe per prevenire la contaminazione.

Sostituzione dell'acciaio

La necessità di evitare la contaminazione accompagna altri requisiti di progettazione come velocità elevate, bassa rumorosità e proprietà non magnetiche. Ad esempio, poiché gli scanner per risonanza magnetica (MRI) utilizzano un forte campo magnetico per generare immagini bi o tridimensionali di qualsiasi soggetto vivente, i cuscinetti in acciaio non possono essere utilizzati a causa delle loro proprietà magnetiche.

Tutti questi fattori influenzano la scelta del materiale per i cuscinetti in ambienti medici, ma quale materiale può sostituire l’acciaio? Il settore delle apparecchiature mediche sceglie sempre più spesso cuscinetti realizzati esclusivamente in zirconio (ZrO2) o altri composti ceramici esotici. Secondo l’Institute of Materials, Minerals and Mining, “i cuscinetti in ceramica realizzati in ZrO₂ sono resistenti con proprietà di espansione simili all’acciaio al cromo e all’acciaio inossidabile 440, sebbene siano il 30% più leggeri”.

Infatti, i cuscinetti di precisione interamente in ceramica sono più duri dell'acciaio, con una resistenza superiore alla corrosione e al calore, una maggiore stabilità dimensionale e una densità inferiore. Tuttavia, i cuscinetti in ceramica sono costosi. Questo è un grosso problema per gli istituti sanitari che operano con budget limitati, quindi la decisione di investire in essi deve essere ben ponderata. Fortunatamente, i cuscinetti in ceramica presentano numerosi vantaggi per gli ambienti medici.

Uno è che i cuscinetti non reagiscono alle sostanze chimiche. Ciò significa che non si corrodono né si indeboliscono se sottoposti a prodotti chimici aggressivi utilizzati per la sterilizzazione negli ospedali. La ceramica non richiede lubrificazione che altrimenti attirerebbe contaminanti come polvere, acqua o umidità e questo elimina anche la necessità di processi di manutenzione come la rilubrificazione. Sono anche resistenti all'acqua, quindi possono essere lavati regolarmente.