02/12/2022
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en het Imperial College London hebben op vezels gebaseerde zachte robots met geavanceerde bewegingsbesturing gemaakt. Ze deden dit op basis van methoden die worden gebruikt om optische vezels te produceren. In de robots zijn verschillende functionaliteiten geïntegreerd, zoals elektrische en optische detectie en gerichte levering van vloeistoffen.
In de afgelopen decennia heeft op katheters gebaseerde chirurgie de geneeskunde getransformeerd. Artsen hebben een minimaal invasieve manier gekregen om alles te doen, van het plaatsen van stents en het richten op tumoren tot het extraheren van weefselmonsters en het toedienen van contrastmiddelen voor medische beeldvorming. De huidige katheters zijn geavanceerde robotapparaten zijn. Maar om ze door het lichaam naar de plaats van interventie te duwen, blijft in de meeste gevallen een handmatige en tijdrovende procedure.
Door vooruitgang in de ontwikkeling van functionele vezels te combineren met ontwikkelingen in slimme robotica, hebben de onderzoekers multifunctionele kathetervormige zachte robots gemaakt. Als ze als katheters worden gebruikt, kunnen ze op afstand naar hun bestemming of mogelijk zelfs hun eigen weg vinden door middel van semi-autonome besturing. Volgens de onderzoekers is dit de eerste keer dat ze zachte katheterachtige structuren kunnen genereren met zo'n schaalbaarheid dat ze complexe functionaliteiten kunnen integreren en mogelijk in het lichaam kunnen worden gestuurd.
Integratie van functies
Om lange vezels te genereren met meerdere kanalen over hun gehele lengte, moesten de onderzoekers de parameters van het productieproces verfijnen. Een belangrijk kenmerk van het proces is het samenspel tussen de viscositeit van het materiaal, waardoor je een continue vezel kunt trekken, en de oppervlaktespanning, waardoor de kanalen erin kunnen instorten.
Door de materiaaleigenschappen, de treksnelheid en de temperatuur precies goed te krijgen, kon het team op betrouwbare wijze de continue kanalen produceren, zorgvuldig gerangschikt in de vezels op micrometerschaal, die nodig zijn om de vezel zijn robotcapaciteiten te geven. Door bijvoorbeeld een motor te gebruiken om aan een of meerdere pezen te trekken die in kanalen zijn ingebracht - een gevestigde benadering in slimme katheters - kunnen artsen de oriëntatie van het uiteinde van de vezel regelen om het door het lichaam te geleiden.
Thermisch trekproces
Behalve met kanalen kunnen de vezels worden uitgerust met een verscheidenheid aan elementen door middel van het thermisch trekproces. De vezels kunnen optische geleiders, elektroden en microkanalen integreren die medicijnafgifte, beeldvorming, elektrische opname en stimulatie mogelijk maken. Ook kunnen ze andere hulpmiddelen geleiden die veel worden gebruikt in robotica en medische toepassingen.
De functionele elementen openen ook de deur naar autonome vezelvormige robots. De geïntegreerde optische geleiders geven vezels het gezichtsvermogen. Ze kunnen obstakels op hun traject detecteren en ontwijken en zelfs gerichte objecten, zoals holtes, helemaal alleen vinden. Cruciaal hiervoor zijn een geavanceerd besturingsalgoritme en een gebruikersinterface voor software die vanaf de basis is ontwikkeld door het team in het laboratorium.
Hoewel het misschien ingewikkeld klinkt, zijn deze multi-materiaalvezels opmerkelijk eenvoudig te produceren. De onderzoekers gebruiken fabricagetechnologie voor optische vezels die goed schaalbaar is. Ze kunnen in één nacht honderden kilometers glasvezel produceren. Als gevolg hiervan biedt de fabricagebenadering een nieuwe, schaalbare manier om zachte katheterachtige structuren te maken met een ongekende combinatie van geavanceerde functionaliteiten.
Toepassingen
Op afstand bediende katheters zijn slechts een van de vele potentiële toepassingen die deze nieuwe klasse van op vezels gebaseerde zachte robots mogelijk zouden kunnen maken. De op pezen gebaseerde benadering van bewegingsbesturing is een eerste stap in de ontwikkeling van thermisch getrokken slimme katheters. De volgende stap omvat het overstappen naar elektrische of magnetische activeringsmodi en het testen van de mogelijkheden van dergelijke vezels.
Zachte robotvezels hebben ook buiten het menselijk lichaam tal van toepassingen. Matrassen kunnen ermee worden uitgerust om de slaapkwaliteit te bewaken of hun materiaaleigenschappen te veranderen als reactie op waargenomen druk en fysiologische parameters, waardoor gebruikers een betere nachtrust krijgen. De vezels kunnen worden gebruikt om zachte prothesen te maken die kunnen reageren op overmatige mechanische belasting van een gewricht door stijver te worden.
Toepassingen voor industriële of omgevingsdetectie kunnen zelfsturende zachte robots zijn die navigeren op basis van informatie die wordt waargenomen door geïntegreerde warmtesensoren, haptische sensoren en elektrische en optische systemen voor vision.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: EPFL, Alain Herzog