Drukowanie 3D używane do tworzenia zoptymalizowanego robota chirurgicznego węża

Roboty podobne do węży mają wiele zalet w procedurach chirurgicznych. Mają długi, wąski kształt, który pozwala im dotrzeć do ograniczonej przestrzeni i głębokich ran, a także mają elastyczne ciała, które mogą podążać naturalnymi ścieżkami w ludzkim ciele. Wymagają też mniej nacięć, a nawet nacięć. Według naukowców chirurgiczne wężowe roboty powinny mieć kilka ważnych cech. Powinny mieć wąskie ciało, które może poruszać się po małych nacięciach lub naturalnych otworach, i powinny mieć "lokomocję, która jest podatna na lokalne ograniczenia anatomiczne, np. Ścieżka podążająca za wskazówkami i poruszająca się w określonej objętości roboczej."

Roboty te powinny być również wyposażone w wizje wysokiej jakości lub stereo, a także w oświetlenie. Powinny one mieć wiele wewnętrznych kanałów i posiadać wymienne narzędzia do chwytania, kauteryzacji itp. Powinny mieć wystarczającą siłę do manipulowania tkankami i takie funkcje, jak kanał irygacyjny z odsysaniem i zintegrowane wykrywanie i obrazowanie. Najlepiej byłoby, gdyby były specyficzne dla pacjenta, dostosowane do niestandardowych anatomii.

W artykule naukowcy opisują, w jaki sposób zaprojektowali nowatorski robot w kształcie węża, zwany wężem i2 (Intuicyjne obrazowanie Sensing Navigated i Robot o zwiększonej kinematyce) do minimalnie inwazyjnej chirurgii. Wybrali architekturę opartą na ścięgnach z łączami szeregowymi, aby upewnić się, że urządzenie może zawierać przestrzeń dla wielu narzędzi, a także "siły wystarczająco wysokie, aby manipulować masą tkanki". W szczególności zastosowali konstrukcję z ruchomymi złączami, bio -specjalizowany mechanizm, który składa się z dwóch kołowych powierzchni toczących się względem siebie. Ten typ stawu można znaleźć u wielu gatunków, w tym u ludzi, w częściach takich jak kolano i paliczki.

Standardowe połączenia toczne mają tę wadę: mogą się zsuwać, powodując niedokładności kontroli lub zwichnięcie stawu. Istnieją trzy różne rodzaje poślizgów, które mogą wystąpić: boczny poślizg, gdzie górna część tocząca toczy się zbyt daleko i zsuwa się z dolnej części; podłużny poślizg, który występuje, gdy wywierane są zewnętrzne siły boczne; i poślizg toczny, w którym dwie powierzchnie ślizgają się względem siebie.

"Aby przezwyciężyć te ograniczenia, zaproponowano nową, bistabilną synchroniczną konstrukcję zwojową", twierdzą naukowcy. "Rozwiązanie polega na zastosowaniu przekładni zębatej czołowej umieszczonej między dwiema powierzchniami tocznymi w połączeniu z czterema cięgnami. Koło zębate czołowe może pokonać zarówno poślizg wzdłużny, jak i poślizg tocznypodczas gdy cztery ścięgna, oprócz przekładni, mogą zapobiec bocznemu poślizgowi. "

Naukowcy wykorzystali drukarkę 3D Mlab z Concept Laser do stworzenia prototypu zoptymalizowanego złącza tocznego. Złącze zostało następnie scharakteryzowane pod względem precyzji i sił manipulacyjnych.

"Wyniki pokazują siły manipulacji do 5,6 N, ale będą musiały być dalej scharakteryzowane w scenariuszu klinicznym z osłoną zewnętrzną i narzędziami biegnącymi wewnątrz robot "- podsumowują naukowcy. "Przyszłe prace będą dotyczyły kontroli nieliniowej w zakresie kompensacji luzu i wydłużenia w kontekście autonomicznej nawigacji. Elastyczne i wymienne narzędzia chirurgiczne zostaną zintegrowane i przetestowane podczas zadań ex vivo i ostatecznie in vivo. "

Oprócz ruchomych połączeń projekt robota składał się również z" odpowiedniego algorytmu optymalizacji rozważa także kolizje i architekturę rdzenia kręgowego z ścięgnem ściętym w centrum robota, aby zredukować przechodzenie ścięgien. "

Autorami artykułu są Pierre Berthet-Rayne, Konrad Leibrandt, Kiyoung Kim, Carlo A. Seneci, Jianzhong Shang i Guang-Zhong Yang.