Il progetto SBLINK, vincitore del "Bando Ricercatori" 2021 del Dipartimento di Meccanica, ha come obiettivo principale quello di sviluppare un prototipo di esoscheletro intelligente ispirato dalla struttura ossea della regione lombare dell'uomo. La prima parte del progetto si è focalizzata sullo studio della cinematica dei movimenti tipici di sollevamento e/o spostamento di pesi. Inizialmente è stato effettuato un questionario rivolto a lavoratori di diversi settori (e.g., settore sanitario, impiegati, etc.) dal quale si sono identificati i movimenti più critici in termini di sovraccarico della spina dorsale e sono stati poi condotti test funzionali in laboratorio sulla cinematica dei movimenti target. In Figura 1 (Misure di spostamento e contrazione muscolare) si nota il posizionamento dei punti di riferimento (markers) sulla persona, che sono stati rilevati tramite telecamere disposte sulle pareti del laboratorio di analisi del movimento.

Le immagini acquisite dalle telecamere sono state analizzate in modo tale da tracciare la posizione tridimensionale dei markers nello spazio che, insieme ai dati delle pedane di forza integrate nel pavimento, hanno permesso di ricostruire la cinematica e la dinamica dei movimenti target (Figura 2 - A) Acquisizione della cinematica e dinamica del movimento del corpo umano presso il laboratorio di analisi del movimento della clinica Villa Beretta. B) Modello per la ricostruzione della posizione tridimensionale dei marker. C) Ricostruzione della cinematica e della dinamica del movimento (posizione tridimensionale dei marker e reazione vincolare al terreno letta da piattaforme di forza). D) Importazione del modello di acquisizione della cinematica su modello muscoloscheletrico di Opensim. E) Calcolo delle forze sviluppate dai muscoli tramite programma di simulazione Opensim.). Elettrodi per l’acquisizione dei segnali elettromiografici sono stati posizionati su gruppi muscolari di interesse per permettere la rilevazione delle contrazioni. Questi studi, associati all’uso di software di simulazione muscolo-scheletrica, hanno permesso di ottenere le condizioni di carico trasmesso a livello lombare e di modellarle.

Sulla base della stima delle forze trasmesse sulla zona lombare, il progetto SBLINK è entrato nella seconda fase, ovvero quella di sviluppo di un nuovo concept di esoscheletro integrante le competenze e le tecnologie dei ricercatori coinvolti nel progetto. La Figura 3 mostra il concept attorno al quale SBLINK ha iniziato a prendere forma. L'esoscheletro è strutturato in due parti: una anteriore caratterizzata da due file di elementi base SBLINK che permette di aiutare l'operatore durante la fase di flessione e una posteriore che si attiva in posizione eretta contribuendo alla parzializzazione del carico e al mantenimento della posizione quando l'operatore ha sollevato manualmente un carico o semplicemente se deve mantenere la posizione eretta per lungo tempo (es. medici durante un intervento chirurgico).

Gli elementi base dell'esoscheletro SBLINK sono stati progettati in materiale metallico in modo tale da soddisfare i diversi requisiti funzionali e dimensionali. Da questo punto di vista, la geometria di SBLINK è parametrizzata, ovvero può essere realizzata sulla base dell'operatore, ovvero sulla base della sua corporatura, peso, e caratteristiche fisiche. Gli elementi e la giunzione tra questi permettono la rotazione del busto in posizione eretta in modo da garantire libertà di movimento. Durante il progetto, sono state utilizzate tecniche di ottimizzazione topologica per alleggerire la struttura garantendo l'opportuna rigidezza e resistenza (Figura 4 - Progettazione degli elementi SBLINK e primi prototipi).

I primi componenti sono stati realizzati mediante stampa 3D in acciaio inossidabile del tipo 316L, le cui caratteristiche ben sposano le applicazioni biomedicali in interazione con tessuti biologici. La tecnologia utilizzata è la BMD(R) di Desktop Metal disponibile al Dipartimento di Meccanica (Figura 5 - La realizzazione degli elementi SBLINK è stata eseguita con la tecnologia di stampa 3D basata sull’estrusione di feedstock metallico). In questo processo, la stampa si basa sull’estrusione di feedstock metallico: i componenti vengono stampati sfruttando una miscela di polimero caricato del materiale metallico che viene estruso per dar forma al componente 3D. Successivamente, il componente viene ripulito dal polimero termicamente e sinterizzato in forno a 1360°C.

Il progetto vede ora approcciare i successivi step di caratterizzazione meccanica dei componenti prodotti e di studio sulla sensorizzazione di quest’ultimi. La possibilità, infatti, di dotare l’esoscheletro SBLINK di sensori di carico abilita lo sfruttamento di data collection e lo sfruttamento di tecniche di trattamento di tali dati in real-time per rendere SBLINK “intelligente”. Attualmente, è in corso la verifica dell’adeguatezza funzionale degli elementi base SBLINK, per poi procedere verso il terzo step del progetto, ovvero la verifica meccanica dei componenti progettati e prodotti.

Il progetto vede coinvolti Marta Gandolla, Luca Patriarca, Paolo Parenti, Niccolò Becattini, Diego Scaccabarozzi e uno studente di laurea magistrale.