医療ロボット用セラミックベアリング

Aug 16, 2023

クリス・ジョンソン著

2023 年 6 月 13 日

14:00

セラミックベアリングの専門サプライヤーである SMB Bearings のマネージングディレクター、クリス ジョンソン氏が、セラミック高精度ベアリングがその答えを保持している理由を説明します。

フォンラマイの写真 Shutterstock

ロボット手術と空のベッドを備えた 3 d レンダリング手術室

医療環境ではロボットの導入が進んでおり、より複雑な処置を実行するためにロボットへの依存が高まっています。 マルテンサイト系ステンレス鋼はロボット用途のベアリングに好まれてきましたが、その性能は医療環境における汚染を防ぐための基準の高まりに対して不十分です。

アナリストのグローバルデータは、医療ロボット市場は2020年の47億ドルから2030年には145億ドルに増加し、それらのロボットは「道具として見られるよりも、精神的なサポートを提供する仲間としての役割を担うようになる」と予測している。 この引用文は、人工知能 (AI) がより高度になり、ロボットが今日では想像できない方法で患者にますます治療サポートを提供できるようになり、スタッフ不足に対処できるようになっていると言及しています。

低侵襲手術の実行を支援する手術支援ロボットから、怪我や麻痺のリハビリテーションに使用される AI 搭載の治療ロボットに至るまで、医療ロボットは、1980 年代にシンプルなロボット アーム技術が初めて導入されて以来、大きな進歩を遂げてきました。 手術ロボットは安価になってきていますが、現代の医療用途では、これらのロボットにより高い精度と速度の機能も求められています。

従来、医療機器では、摩擦や衝撃を制限または回避することでロボット アームなどの軸の回転を最適化するベアリングは、マルテンサイト ステンレス鋼などの高純度金属で作られてきました。 例としては、最高の精度が要求される鍵穴手術を支援する医療ロボットが挙げられます。 手術ロボットのベアリングは、可能な限り最高の回転精度を実現すると同時に、これらのコンパクトでポータブルな病院用機器に適合するのに十分な大きさでなければなりません。

ただし、スチール製ベアリングには汚染などの制限があります。 スチール製ベアリングは丈夫で腐食性の高い環境に耐えることができますが、ベアリング内のスチールに対する接触圧力が移動中に非常に高いため、粒子汚染の影響を受けやすくなります。 この汚れを放置しておくと、へこみや摩耗の原因となる可能性があります。

もちろん、一般に汚染は健康と安全の環境では容認できません。 ロボットが医療用途で普及するにつれて、汚染を防ぐための規制が厳しくなっています。

鋼材の代替

汚染を避ける必要性には、高速、低ノイズ、非磁性などの他の設計要件も伴います。 たとえば、磁気共鳴画像法 (MRI) スキャナーは強力な磁場を使用して生体の 2 次元または 3 次元画像を生成するため、磁気特性によりスチール製ベアリングは使用できません。

これらすべての要素が医療環境におけるベアリングの材料の選択に影響を与えますが、鋼鉄の代わりに使用できる材料は何でしょうか? 医療機器部門では、ジルコニア (ZrO2) またはその他の珍しいセラミック化合物だけで作られたベアリングを選択するケースが増えています。 Institute of Materials, Minerals and Mining によると、「ZrO₂ で作られたセラミック ベアリングは、30% 軽量であるにもかかわらず、クロム鋼や 440 ステンレス鋼と同等の膨張特性を持ち、丈夫です。」

実際、フルセラミック精密ベアリングは鋼よりも硬く、優れた耐食性と耐熱性、より高い寸法安定性、より低い密度を備えています。 ただし、セラミックベアリングは高価です。 これは、限られた予算内で運営されている医療機関にとって大きな問題であるため、医療機関への投資の決定はよく検討する必要があります。 幸いなことに、セラミックベアリングには医療環境にとっていくつかの利点があります。

1 つは、ベアリングが化学物質に反応しないことです。 つまり、病院での滅菌に使用される強力な化学物質にさらされても、腐食したり弱くなったりすることはありません。 セラミックは、ほこり、水、湿気などの汚染物質を引き寄せる潤滑を必要としないため、再潤滑などのメンテナンスプロセスも必要ありません。 耐水性にも優れているので、定期的に丸洗いすることができます。