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Descrizione
Descrizione
L’attività consiste nella progettazione e costruzione di un prototipo sperimentale di esoscheletro flessibile attivo per la cura delle deformità della colonna vertebrale. L’intento è di realizzare un sistema di attuazione programmata di azioni correttive, applicando azioni di trazione su bande elastiche opportunamente posizionate su un supporto indossato dall’individuo. La trazione è resa possibile sollecitando a torsione degli elastici di opportuna rigidezza mediante l’intervento programmato di piccoli motori elettrici indossabili. Il sistema ha come prerequisiti la leggerezza, l’indossabilità senza impedimento durante l’attività giornaliera dell’individuo ed il basso costo di costruzione. L’attività progettuale prevede una fase di modellazione numerica ad elementi finiti dell’effetto sulla colonna vertebrale delle azioni esterne applicate dall’esoscheletro. Per la messa a punto del prototipo è stato necessario realizzare una serie di prove di caratterizzazione dei materiali e dei sistemi di attuazione. Il sistema integra su un corpetto indossabile, tessuti elastici, elementi elastomerici deformabili, motori elettrici e il sistema di controllo.
L’attività si colloca all’interno della macroattività 1, Tecnologie moderne flessibili e/o indossabili, poiché sviluppa una tecnologia che permette l’attuazione di un programma di azioni correttive sul busto dell’individuo. Il prototipo è concepito di dimensioni tali da poter essere indossato durante la normale attività giornaliera. La tecnologia sviluppata può rappresentare un notevole salto di qualità nel trattamento delle deformità della colonna vertebrale che sono attualmente basate in prevalenza sull’uso di corpetti rigidi. La definizione di un programma di intervento dei diversi motori permette di operare sugli squilibri muscolari connessi con i problemi di scoliosi, ma può anche trovare potenziali applicazioni al di fuori di questo ambito clinico.
Team
Team
Referente: Vigilio Fontanari
Gruppo di lavoro:
Ricercatori DII: Vigilio Fontanari
Ricercatori esterni: Marco Fontana (Sant’anna Pisa), Werner Schmoelz (Innsbruck University, AUT)
Studenti PhD: Athar Alì
Partner esterni coinvolti
Istituzioni di ricerca straniere: University of Innsbruck, AUT, Columbia University US
Istituzioni di ricerca nazionali: Scuola Sant’Anna, Pisa
Figura 1: Sinistra: schema del sistema; destra: attuatore del sistema "twisted string".
Lavoro degli studenti coinvolti
Lavoro degli studenti coinvolti
PhD: Athar Alì
Argomento: sviluppo di un esoscheletro flessibile ed attivo per il trattamento dei problemi di scoliosi
Data inizio dell’attività: febbraio 2019
Stato dell’attività, obiettivi e scadenze: L’attività in esame è partita con l’arrivo del dottorando, il quale ha svolto nel primo anno una attività di studio dello stato dell’arte e di definizione delle specifiche del prototipo. Nel secondo anno, a causa della pandemia Covid 19 l’attività sperimentale prevista ha subito un notevole rallentamento. L’attività di modellazione numerica prevista in parallelo è stata sviluppata fino ad un buon un livello (Figura 2). Il modello ad elementi finiti permette di simulare l’effetto sulla colonna vertebrale delle azioni esterne prodotte dall’esoscheletro. La validazione della capacità degli attuatori ‘twisted string’ di produrre le azioni volute è stata verificata e sono state anche realizzate prove di durata a fatica del sistema di elastici usati per l’attuazione. Il corsetto costituito da bande elastiche è stato costruito e verrà interfacciato prossimamente con il sistema di attuazione. Fino ad oggi, il lavoro ha prodotto due articoli su rivista internazionale, la partecipazione ad una conferenza internazionale e la collaborazione internazionale con l’Università di Innsbruck. Inoltre è stata avviata recentemente una attività di collaborazione con il ROAR lab della Columbia University USA. Un ulteriore lavoro, relativo alla messa a punto della modellazione numerica, è stato inviato per pubblicazione a rivista internazionale ed è attualmente in fase di revisione.
Risultati
Risultati
Articoli scientifici:
Athar Alì, Vigilio Fontanari, Marco Fontana, Werner Schmoelz “Spinal deformities and advancement in corrective orthoses” Bioenginnering, vol. 8, January 2021
Athar Alì, Vigilio Fontanari, Werner Schmoelz, Sunil K Agrawal “Systematic Review of Back-Support Exoskeletons and Soft Robotic Suits” Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, vol. 92 November 2021 Article number 765257
Athar Alì, Vigilio Fontanari, Marco Fontana, Werner Schmoelz. " Soft active dynamic brace for spinal deformities " BIODEVICES 2021 - 14th International Conference on Biomedical Electronics and Devices; Part of the 14th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies, BIOSTEC 2021, Virtual, Online, 11 February 2021 - 13 February 2021, 167527
Athar Ali, Vigilio Fontanari, Werner Schmölz, Sunil K. Agrawal: Active Soft Brace for Scoliotic Spine: A Finite Element Study to Evaluate in-Brace Correction. Robotics 2022, 11, 37. https://doi.org/10.3390/robotics11020037
Figura 2: esempio del modello FEM sviluppato.
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