A Universidade de Tecnologia de Delft Usa Sensores de Força da HBM para Pesquisas Científicas Sobre Atrito

Os resultados da pesquisa podem levar a uma nova tecnologia para fios-guia de endoscópios

O grupo de pesquisas de Engenharia Biomecânica da Universidade de Tecnologia de Delft optou por um sensor de força da HBM em suas pesquisas de atrito entre cabos de aço e diversos tipos de borrachas. À primeira vista, isso pode parecer uma área de pesquisa secundária, mas os resultados podem levar a novas tecnologias para fios-guia de endoscópios (tubos flexíveis e compridos com uma câmera na ponta), possibilitando resultados consideráveis em economias no setor médico.  No curto prazo, pode ser possível ir adiante e implementar a tecnologia em aplicações de defesa e policiais para a detecção de explosivos, por exemplo, e para olhar em espaços fechados.

Sensores de força da HBM

 

A pesquisa sobre atrito entre cabos de aço e borracha foi parte dos estudos para tese de doutorado de Arjo Loeve, que hoje é um pesquisador com pós-doutorado. Este estudo foi orientado para o desenvolvimento de novas tecnologias para fios-guia de endoscópios, para serem usados em exames médicos no corpo humano. Durante a realização de exames de endoscopia, dobras indesejadas, às vezes, acontecem na mangueira do endoscópio, o que pode causar problemas aos pacientes como uma dolorosa extensão do cabo no seu intestino. Isso pode ainda dar origem a complicações adversas, como perfuração do intestino durante uma colonoscopia. Alguns fabricantes tem introduzido novas tecnologias para fios-guia no mercado, mas sua funcionalidade ainda não é excelente e são extremamente caras. Muitos endoscópios ainda não usam fios-guia, e só oferecem opções limitadas para corrigir a forma da mangueira.

Close up of the clamp module. In the foreground blocks, which are covered with rubber or steel cables.

Mais rápido e mais barato - nova tecnologia para os desafios da área da saúde

A nova tecnologia, pesquisada por Loeve, consiste em uma mangueira de borracha inflável cercada por um anel de fio de aço dentro de uma mola de aço inoxidável. Ao usar um líquido para deixar o tubo de borracha esticado, o tubo pressiona o fio de aço contra o interior da mola e faz o fio-guia do endoscópio tornar-se rígido. Desta maneira, o médico pode realizar seu trabalho mais rapidamente, o paciente tem menor desconforto no exame e o risco de complicações é muito reduzido.

Exames endoscópicos tem que ser interrompidos com freqüência por conta de dores ou complicações, o que significa que nem todas as anormalias no paciente são detectadas e, por vezes, necessitando de exames adicionais com a realização de tomografias que tomam tempo e com custos elevados para se poder realizar um diagnóstico mais preciso.

Esta nova técnica deverá permitir um aumento na taxa de realização de exames internos livre de problemas. Em relação à outras técnicas possíveis para fios-guia e fixação, a técnica estudada em Delft não requer uma unidade de controle de alto valor, o que mantém os sistemas de endoscopia acessíveis. Graças à esta nova tecnologia, a operação também foi  bastante simplificada. Logo, exames endoscópicos não tem mais a necessidade de serem realizados por especialistas caros.

Portanto, esta nova tecnologia oferece potencialmente uma nova solução para os desafios da área da saúde: métodos de tratamento eficientes, o que reduzem as internações hospitalares e, o mais importante, proporcionam uma economia considerável, podendo dar um impulso para a introdução de novas técnicas menos invasivas, técnicas de cirurgias endoscópicas e cirurgias sem cortes.

Primeira pesquisa sobre atrito entre fios de aço e borracha

O estudo conduzido pelo grupo de pesquisa de Engenharia Mecânica foi incomum. No estudo do atrito, ou "tribologia" ("tribology"), uma grande quantidade de pesquisas fundamentais são realizadas no atrito entre diferentes tipos de materiais. "Mas nenhum tipo de pesquisa foi realizada ainda entre fios de aço e borracha," explica Loeve. "A borracha é macia e tem a tendência de aderir a outros materiais em nível molecular, o que causa uma grande quantidade de atrito. Entretanto, o estudo similar mais próximo realizado visou à redução de atrito para aplicações como em amarras de carga ou prevenção de desgate. Para aplicações em endoscopia, na verdade, busca-se a maximização do atrito, no intuito de obter o máximo de rigidez possível na guia. Também, a maioria dos tipos de borracha não são populares na área médica, porque não são biocompatíveis: às vezes, costumam liberar algum tipo de veneno ou substâncias cancerígenas e tem baixa resistência à esterilização. Na aplicação da nova tecnologia para endoscopia, a borracha não entra em contato com o corpo humano porque está localizada dentro do mecanismo."

Sistema desenvolvido

Qual combinação de materiais oferece maior atrito?

O estudo analisou 3 tipos de borracha e 5 tipos diferentes de fio de aço trançados em 15 diferentes combinações. O objetivo era determinar qual tipo de borracha e qual tipo de fio fornece maior atrito. Os cabos de aço eram do tipo padrão trançados com espessuras entre 0,18 a 0,45 milímetros, que são utilizados em aplicações do dia a dia, como pendurar quadros ou como cabos de freio de bicicletas.

Para o teste, uma configuração foi desenvolvida pela equipe, consistindo em um módulo com dois blocos de borracha, e um terceiro bloco enrolado em fio de aço entre os dois. Medições foram feitas, tanto da força de fixação do módulo de fixação quanto na força de tensão do bloco com fio de aço. A configuração precisava de um sensor de força confiável para medir a força exercida sobre o bloco com fio de aço. Esta última análise permitiu que o atrito fosse mapeado. O sensor fe força tinha que atender os requisitos específicos relacionados à faixa de medição e precisão.

As especificações foram elaboradas com o que é conhecido como "Meetshop" (Measurement Shop) na Faculdade de Engenharia Mecânica, Marítima e de Materiais, onde estudantes e doutorandos podem solicitar apoio em aplicações de medição. Por conta do Meetshop realizar diversos negócios com a HBM e usar um sistema de aquisição de dados MGCplus , não foi nenhuma surpresa que a HBM fosse selecionada para fornecer um sensor de força. O sensor de força foi exposto a cargas de até 180kg. Coincidentemente, o sensor de força não foi usado apenas para o módulo de travamento, mas também para o módulo de calibração de tensão.

"Incluindo o desenvolvimento da configuração de teste e dos módulos de travamento, o estudo durou um ano e meio e já levantou dados muito úteis", completa Arjo Loeve. "Após a publicação do estudo no WEAR, o jornal científico de tribologia (tribology) e no IEEE Transactions on Biomedical Engineering, o princípio básico da tecnologia chamou a atenção de outras organizações. O princípio de endurecimento também parece ser aplicável para o enrijecimento de fórceps controlável durante cirurgias. Os dados de atrito das medições provaram seu valor em diversas áreas onde fios de aço entram em contato com partes de borracha. Até mesmo o exército e a polícia estão interessados em testar a tecnologia de enrijecimento de cabos em campo aberto. Alguns outros exemplos de potenciais aplicações incluem detecção de explosivos e armadilhas e inspeções visuais em ambientes fechados."

MGCplus data acquisition system
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