1. Introduzione. 1.1 L idea: la biomeccanica

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1 1. Introduzione 1.1 L idea: la biomeccanica Negli ultimi anni, nel mondo medico, sono sempre più presenti strumenti e metodologie ad elevato contenuto tecnologico ed ingegneristico. Da questo, in moltissime università del mondo, vi è una chiara tendenza dei dipartimenti di ingegneria ad occuparsi di temi di ricerca cosiddetti bio. La scelta di questa tesi va proprio in questa direzione; inoltre è stato possibile trovare molte condizioni favorevoli. Tra queste, due hanno avuto un ruolo fondamentale nella decisione. Innanzitutto la grande disponibilità e passione verso la bioingegneria del professor Picasso che mi ha guidato in questo lavoro così difficile e dispersivo. In secondo luogo la possibilità di collaborare con il Centro Piaggio dell Università di Pisa che si è dimostrato un partner solido e fattivo. Questa scelta ha portato alla partecipazione del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Università di Cagliari al Progetto Europeo IST Bioloch nella veste di partner esterno.

2 Capitolo 1 Introduzione 1.2 Il Progetto BIOLOCH Il progetto Bioloch, Bio-mimetic structures for locomotion in the human body, nasce nel 2001 e viene finanziato nella primavera del 2002 tra i progetti IST della Comunità Europea. Lo scopo principale dei progetti IST è quello di produrre ricerca fortemente innovativa e di stimolare la formazione di idee. Da queste basi i partners del progetto Bioloch si propongono di studiare nei campi della biologia, della biomeccanica e dell ingegneria per arrivare a implementare un dispositivo, di ispirazione biologica, in grado di compiere esplorazioni all interno del corpo umano. In particolare il tema dell endoscopia intestinale si presta molto bene ad essere l obbiettivo centrale del progetto. Questo perché l esplorazione del tratto gastro-intestinale è particolarmente complessa data la presenza di un ambiente ostile e complesso. Inoltre le implicazioni mediche nel miglioramento delle tecniche endoscopiche sono molto rilevanti: la diagnosi precoce è la via più efficace per la lotta contro i tumori; la maggior parte dei tumori intestinali può essere curata con l asportazione di piccole porzioni di tessuto malato. Quindi la microendoscopia può permettere un accesso sicuro e non traumatico per il paziente, naturale, alle regioni più remote del corpo umano. Il Consorzio Bioloch intende studiare la possibilità di realizzare un dispositivo che si ispiri a sistemi biologici perché nel mondo animale e vegetale vi è una enorme varietà di organismi dai quali è possibile trarre importanti suggerimenti da trasformare in tecnologia. 1.3 I Partners: ruoli e competenze Il Consorzio Bioloch è composto da cinque partners diretti di quattro diversi paesi: Scuola Superiore Sant Anna di Pisa (Italia), University of Bath (Regno Unito), Università di Pisa (Italia), Foundation for Research 1.2

3 Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi and Technology di Heraklion (Grecia) e Universität Tübingen (Germania). La Scuola Superiore Sant Anna di Pisa è una università pubblica con grande vocazione per la ricerca. In particolare è presente in questo progetto con il MiTech Lab (Microfabrication Technology Laboratory) che si occupa di progettazione e realizzazione di sistemi e di componenti micromeccatronici con particolare attenzione ai microrobot per applicazioni biomediche. La Scuola Sant Anna svolge nel Consorzio il ruolo di Coordinatore ed il professor Dario è il responsabile di questa unità. Le competenze specifiche che l SSSA porta nel progetto Bioloch sono nei seguenti settori: meccatronica, microfabbricazione, microendoscopia, micromanipolazione e microsensori. In questi ambiti la Scuola Sant Anna ha partecipato ha molti progetti e ha al suo attivo numerose pubblicazioni scientifiche. L Università di Bath partecipa ha questo progetto tramite il Dipartimento di ingegneria meccanica. Questo dipartimento è considerato uno dei migliori di tutto il Regno Unito. All interno di questo è stata creata un unità che si occupa di biomimetica, guidata dal biologo professor Vincent. L esperienza di quest ultimo è tutta legata allo studio di come poter applicare alla progettazione meccanismi ed esempi provenienti dalla natura. Per l Università di Pisa è presente il Centro Interdipartimentale Enrico Piaggio che si occupa di promuovere la ricerca nei settori della bioingegneria, della robotica e della automazione. L organico è composto da ingegneri chimici ed elettronici, fisici, chimici e biologi. Le principali aree di ricerca sono le seguenti: materiali piezoelettrici, materiali elettroattivi, tecniche di microfabbricazione basate sui polimeri, caratterizzazione dei materiali, manipolatori, apparati per chirurgia laparoscopica, veicoli intelligenti, materiali intelligenti, sensori e attuatori, biosensori. Il contributo che il Centro Piaggio,coordinato dal professor De Rossi, dà all interno di questo progetto è principalmente legato alla 1.3

4 Capitolo 1 Introduzione progettazione, fabbricazione e caratterizzazione sensori-attuatori basati su materiali polimerici. La Fondazione per la Ricerca e la Tecnologia di Heraklion è una organizzazione no-profit greca che partecipa al Consorzio tramite una delle sue sei unità: ICS (Institute of Computer Science). L attività del ICS si svolge in molte aree tra cui: le applicazioni telematiche, i sistemi distribuiti, l allocazione delle risorse, le interfacce utente, l elaborazione delle immagini, la robotica e i sistemi di supporto alle decisioni. In particolare è operativo sul progetto Bioloch il laboratorio Computer Vision and Robotics Laboratory che coordinato dal professor Tsakiris. L Università della Tubingia è una università pubblica della Germania. Partecipa a questo progetto con la Sezione per la chirurgia minimamente invasiva coordinata dal Dottor Buess. Il ruolo di questa unità è quello di fornire indicazioni e suggerimenti per la realizzazione e l ottimizzazione del dispositivo endoscopico e di provarne l efficienza e l efficacia. Le competente sono tipicamente mediche a vanno dalla microchirurgia alla endoscopia, dalla laparoscopia alla chirurgia robotica. 1.4 Il nostro ruolo La partecipazione del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell Università di Cagliari come partner esterno del progetto BIOLOCH è stata intrapresa per portare a termine due fini. Il primo, la partecipazione, anche se con un ruolo secondario, ad un grande progetto di ricerca nel settore biomedico con la possibilità di creare conoscenze in ambiti nuovi ed estremamente promettenti. Il secondo, costruire e consolidare i rapporti scientifici ed umani con il Centro E. Piaggio, con cui è possibile pensare, in un futuro, una forte sinergia. Partendo da questo il nostro ruolo è quello di approfondire tutte le tematiche connesse con l ambito di ricerca e di portare il nostro contributo nella definizione della struttura di locomozione dell apparato 1.4

5 Tesi di Dottorato di Luigi Gerovasi endoscopico e di fornire un supporto nella progettazione meccanica al Centro E. Piaggio. In particolare, la ricerca sarà orientata allo studio sulla meccanica di sistemi innovativi per l esplorazione del tratto intestinale. 1.5 BIOLOCH: gli obbiettivi Il progetto è stato finanziato in seno ai programmi IST della COmunità Europea. Ciò consente ai partners una grande libertà nella ricerca. Questo porta ad avere obbiettivi in parte generici ma comunque estremamente vasti. Nel caso specifico le linee di ricerca elaborate per BIOLOCH sono le seguenti: studio di meccanismi di locomozione derivanti da forme animali inferiori, modellazione e progettazione di strutture artificiali che siano in grado di replicare meccanismi biologici, progettazione e fabbricazione di componenti biomimetici, comprensione e riproduzione di metodi di percezione biologica di forme animali inferiori, strategia e implementazione del controllo, progettazione e fabbricazione di apparati per la locomozione biomimetici, e sperimentazione sui prototipi. In particolare per quanto riguarda lo studio di meccanismi di locomozione derivanti da forme animali inferiori saranno affrontati i seguenti punti: studio dei possibili meccanismi di adesione, studio dei meccanismi di locomozione e ricerca di parametri biomeccanici misurabili per caratterizzazione dei tessuti gastro-intestinali. Per la modellazione e progettazione di strutture artificiali che siano in grado di replicare meccanismi biologici si procederà come segue: progettazione e modellazione di strutture che imitano la locomozione dei vermi, studio di altre forme animali di propulsione, progettazione e modellazione di strutture che imitano le altre forme animali ritenute valide. Ci si propone di sviluppare e realizzare dispositivi la cui propulsione sia ispirata ad uno o più meccanismi di locomozione ricercabili nel mondo naturale con particolare attenzione ai vermi ed ad altri parassiti intestinali. 1.5

6 Capitolo 1 Introduzione 1.6 I nostri obbiettivi L obiettivo di questo lavoro è realizzare un apparato autonomo capace di compiere una completa esplorazione del tratto gastrointestinale. La struttura meccanica dedicata al movimento dovrebbe essere ispirata ai parassiti intestinali o ad altre architetture biomorfe. In particolare, si è scelto di realizzare una approfondita ricerca bibliografica sia sul fronte medico che su quello ingegneristico. Verranno analizzati nel dettaglio i seguenti aspetti: anatomia e fisiologia dell'apparato digerente, caratteristiche chimico fisiche e geometriche delle superfici intestinali, tecniche endescopiche tradizionali, endoscopia innovativa, meccanismi di locomozione di invertebrati, meccanismi di adesione di ispirazione biologica e locomozione per vibrazioni. Su due aspetti critici verrà principalmente indirizzata la nostra indagine: l'adesione e l'avanzamento. Scopo del progetto è anche la classificazione e la valutazione dei meccanismi emersi, ed anche la possibilità di realizzarli su un dispositivo artificiale. 1.6