Sebbene il loro sviluppo sia ancora in una fase iniziale, fanno parte delle conquiste pionieristiche della tecnica e della meccanica, affascinano gli uomini in tutto il mondo e rivestono un'importanza sociale: parliamo degli esoscheletri. Si tratta di dispositivi di supporto per organismi come quello umano. L'esoscheletro, chiamato anche scheletro esterno, non è una parte integrante diretta del corpo che lo indossa, bensì supporta e potenzia i suoi movimenti con l'aiuto di una forza meccanica. Date le sue caratteristiche fondamentali, l'esoscheletro si basa sulle protesi, che nel settore medico sono impiegate già da tempo per stabilizzare e sgravare determinate parti del corpo. Grazie ai progressi compiuti nello sviluppo della robotica e dei sensori, vengono sviluppati continuamente nuovi modelli, tanto che il campo d'impiego degli esoscheletri oggi si estende ben oltre il settore medico.

Struttura e funzionamento - esoscheletri attivi e passivi

A seconda della loro costruzione e dei loro componenti, gli esoscheletri possono essere suddivisi fondamentalmente in due gruppi, dispositivi di supporto passivi e attivi. Gli esoscheletri passivi supportano il corpo solo con l'ausilio di componenti meccanici, quali molle, guide e pesi - essi non dispongono di un azionamento controllato attivamente. I carichi vengono assorbiti dalla struttura di supporto e trasformati in energia o deviati a terra. Gli esoscheletri attivi, invece, oltre agli elementi meccanici sono dotati anche di altri componenti di azionamento attivi, che forniscono un ulteriore contributo alla riduzione della forza e all'attenuazione dei carichi. In questo contesto si utilizzano prevalentemente i riduttori armonici corti delle serie CSD e SHD di Harmonic Drive AG in combinazione con motori elettrici molto compatti. A seconda dei modelli si utilizzano sensori, che informano gli attuatori dell'esoscheletro già anticipatamente riguardo ai movimenti successivi dell'uomo. Il controllo delle fasi del movimento può avvenire per mezzo delle tensioni muscolari registrate dai sensori. In alternativa, il controllo può essere effettuato anche a partire da un pannello operatore. Sia gli esoscheletri attivi sia quelli passivi presentano vantaggi e inconvenienti. Mentre i modelli senza azionamento elettrico non sono collegati ad alcuna fonte di energia, i dispositivi di supporto attivi necessitano, per via dei loro componenti, di un'alimentazione di energia con pile o batterie ricaricabili. Di conseguenza, per questi ultimi non è garantito un uso ininterrotto; in più, gli esoscheletri attivi spesso sono decisamente più pesanti dei loro omologhi. I modelli attivi offrono inoltre spesso un livello di assistenza più elevato e sono pertanto in grado di sgravare chi li indossa da un carico maggiore rispetto alle strutture di supporto passive. In fin dei conti la rilevanza dei singoli vantaggi e inconvenienti può essere valutata solo in funzione della rispettiva applicazione.

Gli esoscheletri fungono da orientamento per la medicina e la società

All'esoscheletro viene attribuito un ruolo promettente e propulsore soprattutto nel settore medico. In questo contesto il dispositivo di supporto nella sua forma base realizza le caratteristiche e funzioni di sostegno e protettive del corpo - queste aiutano le persone con deficit a compiere i movimenti quotidiani, a riacquistare la libertà di movimento e a soddisfare le esigenze vitali. Nel quadro di studi clinici si analizza tra l'altro l'impiego di esoscheletri realizzati su misura e progettati per soddisfare i requisiti medici di pazienti affetti da diverse forme di paralisi. Appare chiaro che nel contesto medico lo scopo principale dell'esoscheletro non è quello di potenziare pienamente le capacità esistenti, ma di recuperare delle capacità che il paziente ha perso a seguito di patologie. L'importanza dell'esoscheletro diventa evidente soprattutto se si osserva lo sviluppo della società. Già oggi le crescenti aspettative di vita e il cambiamento demografico pongono alcune sfide per la medicina, l'economia e la scienza. Alla medicina spetterà un ruolo del tutto particolare, poiché anche in età avanzata nessun uomo deve essere costretto a rinunciare alle sue fondamentali libertà di movimento e alla sua mobilità. L'innovativo progresso della tecnologia applicata agli esoscheletri va considerato non solo alla luce degli aspetti medici, ma anche in funzione della società nel suo insieme. Gli esoscheletri sono conosciuti soprattutto come dispositivo di supporto per i paraplegici. Essi consentono a queste persone di tornare a camminare eretti, con tutti i vantaggi che ciò comporta, ovvero il recupero della propria autonomia, la comunicazione tra pari e, soprattutto, una migliore circolazione sanguigna, ossia una migliore circolazione del sangue negli arti inferiori.

Applicazioni nell'industria e nel settore militare

Tra i settori di applicazione dell'esoscheletro rientra inoltre quello industriale, con le sue attività impegnative dal punto di vista fisico. In questo caso, i dispositivi di sostegno esterni assumono funzioni di supporto. Sia nella linea di montaggio che nel magazzino o nella consegna merci, i lavoratori sono spesso soggetti a forti sollecitazioni fisiche quando sono costretti a sollevare, trasportare o manipolare carichi per un periodo prolungato. Imitando e quindi potenziando i movimenti con l'aiuto di processi elettronici, sensoriali e meccanici, nel settore industriale gli esoscheletri agevolano il lavoro di chi li indossa. Di conseguenza si evitano all'origine possibili disturbi, soprattutto nella muscolatura del tronco e della schiena, e s'incrementata l'efficienza lavorativa. Già oggi alcune imprese del settore della logistica e dell'industria automobilistica hanno adottato esoscheletri attivi e passivi. In vista della cosiddetta Industria 4.0, l'evoluzione tecnologica della produzione industriale, gli esoscheletri rappresentano la fusione necessaria tra uomo e macchina. Lo scopo è far sì che grazie alla tecnologia il lavoro dell'uomo non solo diventi più efficiente e produttivo, ma tuteli anche la sua salute e sia sostenibile. Le applicazioni in campo militare sono simili a quelle industriali, dal momento che anche qui lo sviluppo è focalizzato innanzitutto sul trasporto di carichi pesanti. Gli esoscheletri dovranno essere utili ai soldati e al personale militare anche nelle situazioni di pericolo o nelle marce su terreni accidentati. Gli odierni prototipi non sono paragonabili ai modelli derivati dall'universo della fantascienza, tuttavia la spinta all'innovazione è inarrestabile ed è quindi prevedibile che in futuro ci sia una sovrapposizione sempre maggiore tra dispositivi di supporto e armamenti. Il futuro porterà con sé altre possibilità d'impiego degli esoscheletri. Infatti, già nel 2014 si è lavorato ad esempio a un progetto di ricerca che prevede l'impiego di dispositivi di supporto esterni, ovvero di scheletri esterni, per i vigili del fuoco. Altri campi d'impiego ipotizzabili per gli esoscheletri di qualsiasi forma sono ad esempio il settore dell'assistenza, l'edilizia o altre professioni fisicamente pesanti.