หุ่นยนต์ทางการแพทย์แบบอ่อนแสดงสัญญาสำหรับการผ่าตัดแบบไร้สาย

ซอฟต์โรบ็อตขนาดเล็กแบบไร้สายที่สามารถนำทางในพื้นที่จำกัดได้อย่างปลอดภัยเพื่อตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกเป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ เช่น การผ่าตัดที่มีการบุกรุกน้อยที่สุด นอกจากการเคลื่อนที่แล้ว หุ่นยนต์ซอฟต์ต้องสามารถทำงานที่ซับซ้อนอื่นๆ ได้หากต้องการแทนที่เครื่องมือแข็งทั่วไป อย่างไรก็ตาม งานดังกล่าวต้องใช้แรงหรือแรงบิดสูงที่วัสดุ

ที่อ่อนนุ่ม

กว่าเพียงอย่างเดียวไม่สามารถผลิตได้ ในทางกลับกัน จำเป็นต้องมีการผสมผสานระหว่างวัสดุที่แตกต่างกัน กลไกอันชาญฉลาด และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง เพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานกลจำนวนมากที่จำเป็นสำหรับการผ่าตัดที่ซับซ้อนแบบไร้สาย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ นักวิทยาศาสตร์

จากสถาบันมักซ์พลังค์สำหรับระบบอัจฉริยะในสตุตการ์ตได้พัฒนาแอคชูเอเตอร์กล้ามเนื้อขดขนาดเล็กที่อาศัยคุณสมบัติเชิงกลที่ปรับได้และการให้ความร้อนด้วยแม่เหล็กด้วยคลื่นความถี่วิทยุเพื่อดำเนินการผ่าตัดที่ต้องใช้กำลังสูงและความสามารถในการทำงาน รวมถึงการเย็บแผล การตัดเจาะและยึดเนื้อ

เยื่อ นักวิจัยอธิบายถึงความสามารถของหุ่นยนต์ทางการแพทย์ขนาดจิ๋วกล้ามเนื้อเทียมขดกล้ามเนื้อเทียมในวิทยาการหุ่นยนต์แบบอ่อนมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างความคล่องตัวเชิงกลของกล้ามเนื้อตามธรรมชาติ  การหดตัว การขยาย การหมุน หรือการดัดเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวหรือปฏิบัติงาน

อย่างมีประสิทธิภาพ ในการสร้างแอคทูเอเตอร์ของกล้ามเนื้อ กลุ่มได้ใช้เส้นใยไนลอนที่มีความแข็งแรงสูงเป็นแกนของกล้ามเนื้อแข็งและหุ้มด้วยชั้นโพลิเมอร์เพื่อป้องกันจากสิ่งเร้าทางกลและความร้อนจากภายนอกระหว่างแกนกลางและเปลือกนอก นักวิจัยได้ฝังชั้นเมทริกซ์เรซินที่มีความเหนียวสูง

ซึ่งมีอนุภาคนาโนซุปเปอร์พาราแมกเนติก Fe 3 O 4และเกล็ดเลือดกราฟีนออกไซด์ อนุภาคนาโนแม่เหล็กเหล่านี้ผลิตความร้อนเมื่อสัมผัสกับคลื่นความถี่วิทยุ กระตุ้นแกนกล้ามเนื้อและเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลของตัวกระตุ้น ในที่สุดพวกเขาก็บิดโครงสร้างที่ได้เป็นขดลวดเพื่อสร้างกล้ามเนื้อเทียม

ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง

ประมาณ 1 มม.นักวิจัยใช้สนามแม่เหล็กคลื่นความถี่วิทยุภายนอกเพื่อให้ความร้อนแก่อนุภาคนาโนที่ฝังอยู่แบบไร้สาย จากนั้นกล้ามเนื้อขดเทียมจะหดตัวหากปลายไฟเบอร์ว่างแต่ไม่สามารถหมุนได้ หรือบิดหากปลายด้านหนึ่งของไฟเบอร์ยึดอยู่กับที่และส่วนที่เหลือหมุนได้ ทีมงานได้ปรับความเข้มข้น

ของเกล็ดเลือดกราฟีนออกไซด์และความหนาของชั้นที่ใช้งานอย่างเป็นระบบเพื่อให้ได้แรงกระตุ้นและความสามารถในการทำงานประมาณ 3.1 N และ 3.5 J/g ตามลำดับ ค่าเหล่านี้มีค่ามากกว่าห้าและสี่ลำดับความสำคัญที่มากกว่าค่าที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้สำหรับแอคทูเอเตอร์แบบอ่อนแม่เหล็ก

“ด้วยแอคชูเอเตอร์ของกล้ามเนื้อที่ผสานรวมเข้ากับอุปกรณ์ทางการแพทย์ชนิดอ่อนแบบไร้สาย ตอนนี้เราจึงบรรลุการผ่าตัดที่ต้องใช้กำลังสูง เช่น การเย็บ การตัด การหนีบ และการเจาะ ฟังก์ชั่นดังกล่าวยังไม่สามารถทำได้สำหรับอุปกรณ์การแพทย์ไร้สายแบบอ่อน” ผู้เขียนอาวุโสอธิบาย

ขั้นแรก พวกเขาเย็บตัวอย่างหนังสุกร ในสัตว์ทดลองที่เจาะไว้ก่อนหน้านี้ด้วยการติดแท่งเส้นใยไนลอนสองแท่งและแม่เหล็กถาวรทรงกระบอกที่ปลายของกล้ามเนื้อขด ด้วยการใช้การควบคุมสนามแม่เหล็กที่แม่นยำและใช้ประโยชน์จากแรงส่งออกขนาดใหญ่ของกล้ามเนื้อขด ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์

ปรับทิศทางแม่เหล็กใหม่อย่างไรเพื่อเย็บรอบๆ แผลและหดตัวเพื่อปิด ประการที่สอง พวกเขาพิมพ์ 3 มิติกรอบโพลิเมอร์ทรงกลมและฝังอนุภาคแม่เหล็กขนาดเล็กในยางซิลิโคนที่กระจายไปทั่วเส้นรอบวงของกรอบ สิ่งนี้ทำให้เฟรมสามารถเคลื่อนที่และวางตำแหน่งแบบกลิ้งได้โดยใช้แม่เหล็ก

ที่ทำงานด้วยระยะไกล ในการสาธิต นักวิจัยใช้แรงที่เกิดจากการหดตัวของกล้ามเนื้อขดเพื่อตัดวัสดุที่คล้ายเนื้อเยื่อสังเคราะห์ออกครึ่งหนึ่งโดยใช้ใบมีดแก้วสองใบที่อยู่ตรงช่องเปิดของเฟรมทำการผ่าตัดด้วยหุ่นยนต์อ่อนเพื่อใช้ประโยชน์จากการใช้งานแบบไร้สายที่เป็นไปได้ของกล้ามเนื้อเทียมแบบขด 

นักวิจัย

ต่อไป เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของแรงบิด ทีมงานใช้ประโยชน์จากการปลดปล่อยพลังงานสูงของกล้ามเนื้อขดเทียมและรวมเข้ากับโครงสว่านและสกรูที่พิมพ์แบบ 3 มิติเพื่อเจาะวัสดุคล้ายเนื้อเยื่อสังเคราะห์แบบไร้สาย โดยใช้การให้ความร้อนด้วยแม่เหล็กด้วยคลื่นความถี่วิทยุเพื่อคลายเกลียว ม้วน.

จากนั้นนักวิจัยได้ออกแบบเครื่องหนีบแบบ bistable ซึ่งใช้การหดตัวของกล้ามเนื้อขดและเก็บพลังงานกลไว้เพื่อบีบเนื้อเยื่ออย่างรวดเร็วในระหว่างการผ่าตัด การหดตัวอย่างต่อเนื่องของกล้ามเนื้อขดจะขับแคลมป์จากสถานะพลังงานคงที่ไปเป็นพลังงานที่ไม่เสถียร สิ่งนี้จะกระตุ้นสแนปทรู ขยายแรงขาออก

ของกล้ามเนื้อขดเป็น 14 นิวตัน ทำให้นักวิจัยสามารถหนีบเนื้อเยื่อไก่ที่เป็นแผล ได้สุดท้าย เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเก่งกาจของกล้ามเนื้อขดหลายๆ มัด ทีมงานได้เคลือบชั้นโพลิเมอร์เพิ่มเติมที่มีโปรไฟล์การสะกดจิตที่แตกต่างกันเชิงพื้นที่ในขดลวด และเชื่อมโยงกล้ามเนื้อขดทั้งสี่เข้าด้วยกันโดยใช้ขั้วต่อ

ที่นิ่มกว่าเพื่อขยายการเสียรูปของแม่เหล็ก การกำหนดค่าโครงสร้างใหม่นี้ทำให้ขดลวดแบบมัลติลิงค์สามารถ “เดิน” ไปข้างหน้า ถอยหลัง หรือเคลื่อนที่ในแนวแกนได้โดยการรวมแรงบิดแม่เหล็กและการไล่ระดับแม่เหล็ก สิ่งนี้สามารถช่วยให้อุปกรณ์สามารถดำเนินการจัดการที่ซับซ้อนมากขึ้น 

เช่นเดียวกับการสาธิตเอาต์พุตแรงสูง ได้คิดค้นสถานการณ์จำลองการผ่าตัดพิสูจน์แนวคิด 5 แบบเพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ใช้สอยซึ่งเปิดเผยว่าตัวแปรสำคัญที่ควบคุมการเริ่มต้นของการซิงโครไนซ์ตัวเองคือมวลและความถี่การสั่นของเครื่องเมตรอนอม เช่นเดียวกับมวลของแท่งและความแข็งแกร่งของ สปริงที่บาร์ถูกระงับตามที่กำหนดโดยค่าคงที่พื้นฐานที่แม่นยำที่สุด” เขาแนะนำ

credit: coachwalletoutletonlinejp.com tnnikefrance.com SakiMono-BlogParts.com syazwansarawak.com paulojorgeoliveira.com NewenglandBloggersMedia.com FemmePorteFeuille.com mugikichi.com gallerynightclublv.com TweePlebLog.com