Керамические подшипники для медицинских роботов

Aug 16, 2023

Крис Джонсон

13 июня 2023 г.

14:00

Крис Джонсон, управляющий директор специализированного поставщика керамических подшипников SMB Bearings, объясняет, почему керамические высокоточные подшипники являются ответом.

Фонламай Фото Shutterstock

3D-рендеринг операционной с роботизированной хирургией и пустой кроватью

Роботы становятся все более популярными в медицинской сфере, и на них все чаще полагаются для выполнения более сложных процедур. Хотя мартенситные нержавеющие стали отдаются предпочтение в качестве подшипников в робототехнике, их характеристики не соответствуют растущим стандартам по предотвращению загрязнения в медицинской среде.

Аналитик GlobalData прогнозирует, что рынок медицинской робототехники вырастет с $4,7 млрд в 2020 году до $14,5 млрд в 2030 году, и эти роботы «будут скорее выступать в качестве компаньонов, оказывающих эмоциональную поддержку, а не рассматриваться как инструменты». В цитате говорится о том, что искусственный интеллект (ИИ) становится все более продвинутым, что позволяет роботам оказывать все большую терапевтическую поддержку пациентам способами, которые мы сегодня не можем себе представить, и бороться с нехваткой персонала.

От хирургических роботов, которые помогают выполнять минимально инвазивные операции, до терапевтических роботов с искусственным интеллектом, используемых в реабилитации после травм и паралича, медицинские роботы прошли долгий путь с тех пор, как в 1980-х годах были впервые представлены простые технологии роботизированных рук. Хотя хирургические роботы становятся дешевле, современные медицинские приложения также требуют от этих роботов более высокой точности и скорости.

Традиционно в медицинских инструментах подшипники, которые оптимизируют вращение осей, как манипуляторы роботов, ограничивая или предотвращая трение и толчки, изготавливаются из металлов высокой чистоты, таких как мартенситная нержавеющая сталь. Примеры включают медицинских роботов, которые помогают проводить операции в замочной скважине, где требуется предельная точность. Подшипники хирургических роботов должны обеспечивать максимально возможную точность вращения, а также быть достаточно маленькими, чтобы поместиться в эти зачастую компактные и портативные больничные устройства.

Однако стальные подшипники имеют ограничения, включая загрязнение. Хотя стальные подшипники прочны и способны противостоять высококоррозионным средам, они чувствительны к загрязнению твердыми частицами из-за очень высокого контактного давления на сталь внутри подшипника во время его движения. Если не принять меры, это загрязнение может привести к образованию вмятин и износу.

Конечно, загрязнение в целом неприемлемо с точки зрения охраны труда и техники безопасности. Поскольку роботы становятся все более распространенными в медицинских целях, правила становятся все более строгими, чтобы предотвратить загрязнение.

Замена стали

Необходимость избегать загрязнения сопровождает другие требования к конструкции, такие как высокие скорости, низкий уровень шума и немагнитные свойства. Например, поскольку сканеры магнитно-резонансной томографии (МРТ) используют сильное магнитное поле для создания двух- или трехмерных изображений любого живого объекта, стальные подшипники нельзя использовать из-за их магнитных свойств.

Все эти факторы влияют на выбор материала подшипников в медицинских учреждениях — но какой материал сможет заменить сталь? Сектор медицинского оборудования все чаще выбирает подшипники, изготовленные исключительно из диоксида циркония (ZrO2) или других экзотических керамических соединений. По данным Института материалов, минералов и горного дела, «керамические подшипники, изготовленные из ZrO₂, прочны и обладают такими же свойствами расширения, как хромистая сталь и нержавеющая сталь 440, хотя они на 30% легче».

Действительно, полностью керамические прецизионные подшипники тверже стали, обладают превосходной коррозионной и термостойкостью, более высокой стабильностью размеров и меньшей плотностью. Однако керамические подшипники стоят дорого. Это большая проблема для учреждений здравоохранения, которые работают в условиях ограниченного бюджета, поэтому решение инвестировать в них должно быть хорошо продуманным. К счастью, керамические подшипники обладают рядом преимуществ для использования в медицинских учреждениях.

Во-первых, подшипники не реагируют на химические вещества. Это означает, что они не подвергаются коррозии и не ослабевают под воздействием агрессивных химикатов, используемых для стерилизации в больницах. Керамика не требует смазки, которая в противном случае притягивала бы такие загрязнения, как пыль, вода или влажность, и это также устраняет необходимость в процессах технического обслуживания, таких как повторное смазывание. Они также водонепроницаемы, поэтому их можно регулярно мыть.