L’interazione con la persona è una capacità caratteristica della pneumatica che è adatta ad applicazioni in ambienti medicali o per cure domestiche di patologie e disfunzioni. La capacità intrinseca della pneumatica di controllare la forza di attuazione con l’imposizione di livelli di pressione e la possibilità di utilizzare attuatori flessibili con pareti deformabili, dal contatto morbido, simili alla cute umana, fanno di questa un ausilio ideale per le necessità di cura e benessere.
Impieghi della pneumatica in campo medicale
La pneumatica ha numerose applicazioni in cui interagisce con la salute, il suo monitoraggio e la cura di patologie. La pneumatica permette di raggiungere importanti risultati nel campo dell’ingegneria biomedica, dove si realizza la virtuosa interazione tra macchina, mossa da potenza a fluido, e fisico umano, contribuendo a compensare e ridurre stati di sofferenza e disagi.
Un classico esempio di applicazione della pneumatica è la strumentazione per la misura della pressione arteriosa. La pressione arteriosa è la pressione esercitata dal fluido, il sangue pompato dal cuore, sulle pareti delle arterie. Il cuore batte ad intervalli regolari, ne consegue un ciclo di valori nel tempo della pressione arteriosa tra una pressione massima (sistolica), che corrisponde alla fase di pompaggio del sangue nelle arterie, e una pressione minima (diastolica) che corrisponde alla fase in cui il cuore aspira il sangue. La misura della pressione arteriosa offre un’importante informazione per la salute. Questo dato può essere ottenuto in modo diretto, tramite un catetere inserito nell’arteria e collegato ad un trasduttore di pressione oppure con una misura indiretta con apparecchi che agiscono dall’esterno. Tra questi il più utilizzato è lo sfigmomanometro di Scipione Riva Rocci, medico piemontese, nato ad Almese, presso Torino, nel 1863. Allievo di Carlo Forlanini, Riva Rocci seguì l’indirizzo iatromeccanico del suo maestro, divenendo suo assistente presso la clinica medica propedeutica a Pavia, diretta in quegli anni dal Forlanini. Lo strumento ideato da Riva Rocci è dotato di una tubo o colonna cilindrica in vetro contenente mercurio, sulla colonna è indicata la quota raggiunta dal mercurio, tale quota è in relazione alla pressione con cui il mercurio è spinto in antagonismo alla gravità. La pressione rilevata dalla lettura della quota del mercurio corrisponde alla pressione dell’aria contenuta in un manicotto indossato dal paziente. Il manicotto, indossato di solito sul braccio all’altezza del gomito, preme sull’arteria omerale e, con un fonendoscopio, è possibile sentire il battito del cuore corrispondente alla fluttuazione della pressione arteriosa. Il manicotto è pressurizzato oltre il valore di pressione massima e lo si fa lentamente sgonfiare rilevando la pressione di massima, al comparire del suono del battito nel fonendoscopio, e di minima al suo scomparire.
In Figura 1 si vede uno schema della prova della pressione arteriosa. Il ciclo della pressione, dovuto al pompaggio del sangue operato dal cuore, è schematicamente rappresentato in Figura 1 in alto a destra. Per la misura della pressione, si intercetta il flusso con un manicotto pneumatico che stringe la arteria omerale fino ad arrestare il flusso; depressurizzando poi il manicotto, al raggiungimento della pressione sistolica (massima) il sangue ricomincerà a fluire in condizione di moto turbolento: questo genererà dei suoni (detti di Korotkoff) rilevabili con lo stetoscopio; continuando a diminuire la pressione nel manicotto, si raggiungerà la pressione diastolica (minima) alla quale il flusso del sangue riprenderà a fluire in condizioni di flusso laminare facendo scomparire i suoni di Korotkoff. La misura si può fare utilizzando una pompa manuale con valvola di non ritorno e valvola di scarico regolabile e con un manometro sfigmomanometro di Riva Rocci, del tipo di quelli rappresentati in Figura 1.
In Figura 2 si ha un andamento tipico di pressione arteriosa rilevato con la lettura indiretta della pressione pneumatica all’interno di un bracciale sfigmomanometro, in relazione al ciclo cardiaco con il richiamo alle fasi cardiache di sistole e diastole.
Un caso classico di applicazione vincente della pneumatica in biomeccanica è l’utilizzo di attuatori flessibili a fluido. Questi attuatori sono mossi da fluido in pressione, tipicamente aria, e sono in grado di sviluppare forze e spostamenti simili a quelli dei muscoli umani. Si tratta di attuatori che sfruttano, per il loro principio di funzionamento, la cedevolezza di setti e pareti realizzati in materiali deformabili, solitamente in elastomero. Tra questi un posto importante occupano i cosiddetti muscoli pneumatici artificiali, indicati spesso con l’acronimo PAM (Pneumatic Artifical Muscle). Nella stragrande maggioranza dei casi questi attuatori agiscono contraendosi alla presenza di una pressurizzazione. La loro caratteristica di funzionamento, forza di attuazione in funzione della corsa, non dipende soltanto dal livello di pressione imposta, ma anche dalla frazione di corsa realizzata. Le pareti deformabili di questi attuatori delimitano una camera in cui agisce il fluido in pressione. Questa camera è assoggettata a vincoli che le permettono di deformarsi lungo particolari direzioni predefinite, per esempio solo radialmente rispetto all’asse dell’attuatore così da realizzare corsa e forza, con una contrazione delle estremità del PAM, producendo un lavoro agendo su un carico esterno. I muscoli a fibre intrecciate, detti anche muscoli di McKibben, sono i più diffusi e utilizzati e sono ampiamente applicati in campo biomeccanico, ambito in cui sono stati concepiti. Questi muscoli presentano tre elementi fondamentali: una camera deformabile di forma cilindrica, una maglia esterna che costituisce il vincolo alla camera quando questa è pressurizzata e tenderebbe ad espandersi, e due testate che permettono il collegamento a vincoli e carico esterni e l’alimentazione pneumatica. La maglia intrecciata, sottoposta ad un incremento di diametro a causa della pressurizzazione della camera, essendo costituita da elementi inestensibili con le estremità collegate alle testate, avvicina queste ultime, realizzando la contrazione del muscolo.
Il principio di funzionamento del muscolo di McKibben è illustrato in Figura 3: si rappresenta una fibra inestensibile avvolta sulla superficie esterna di una camera cilindrica che, prima della pressurizzzazione, ha diametro minore (a) e, poi, a causa della pressione del fluido nella camera stessa, assume un diametro maggiore (b), provocando una contrazione del muscolo. Questo effetto, che genera la corsa dell’attuatore, è ottenuto per la inestensibilità della fibra avvolta ad elica intorno alla camera.
