DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48058-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38704384
تاريخ النشر: 2024-05-04
المؤلف: Liyang Mao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الروبوتات الدقيقة والنانوية
نظرة عامة
تقدم البحث روبوتًا جديدًا مستمرًا بحجم المليمتر مصممًا للإجراءات عبر اللمعان، حيث يتناول التحديات التي تطرحها الروبوتات المستمرة اللينة الحالية التي تعتمد على التفاعلات مع جدران اللمعان للحركة. يتميز هذا الروبوت بتصميم فريد يدمج مكونات انتقال الطور، مما يسمح له بتحقيق الإطالة المعتمدة على الطرف مع الحفاظ على الاستقرار الهيكلي. يعمل الروبوت من خلال مجالات مغناطيسية قابلة للبرمجة، مستخدمًا هيكلًا صلبًا للاستقرار ومكونًا سائلًا للتقدم، مما يسهل تشكيله بشكل مستقل دون الحاجة للتفاعل مع البيئة.
تم استخدام تقنيات التصوير السريرية لإظهار قدرة الروبوت على التنقل عبر لمعات معقدة ودقيقة، مما ينقل أدوات الجراحة المجهرية بفعالية. عند الوصول إلى مساحات تشريحية أكبر، مثل المعدة، يمكن للروبوت أن يتحول إلى هياكل ثلاثية الأبعاد وظيفية، مما يعزز من فائدته كأدوات جراحية أو وحدات استشعار. يعد هذا النموذج التصميمي بتحسين السلامة، والوظائف المتعددة، والقدرات التعاونية، مما يعزز من مجال جراحة الروبوتات عبر اللمعان. تشير تداعيات هذا البحث إلى خطوة هامة نحو إجراءات طبية أقل توغلاً، مما يقلل من المضاعفات بعد الجراحة ويعزز نتائج المرضى.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الإعداد التجريبي المستخدم في بحثهم، والذي يتكون من ثلاثة مكونات رئيسية. المكون الأول هو نظام تشغيل مغناطيسي، مزود بثمانية مضخمات (HEA-200C) وجهاز كمبيوتر للتحكم، مصمم لتوليد المجالات المغناطيسية اللازمة لدفع الروبوت. يتضمن المكون الثاني جهاز تصوير بالموجات فوق الصوتية (E2، SonoScape، Inc.)، ومنصة بأربعة درجات من الحرية (4-DOF)، وكاميرتين (acA2040-120um، Basler، Inc.) لأغراض التصوير. المكون الثالث هو وحدة تقدم ونظام مقياس مصدر (Keithley 2636B) لتحريك الروبوت.
يسمح التصميم التجريبي باستيعاب كرات بقطر 308 مم، مما يسهل استخدام حيوانات تجريبية متنوعة مثل الجرذان والأرانب والخنازير. يتم تحقيق حركة الروبوت من خلال وحدة التقدم، بينما تتأثر مساره بالمجال المغناطيسي. يمكن لجهاز الموجات فوق الصوتية، المثبت على منصة 4-DOF، تمكين التحديد داخل البيئات السائلة. ومن الجدير بالذكر أن المؤلفين ذكروا أن تصوير الأشعة السينية لم يتم دمجه في هذا النظام التجريبي، مما منع بعض التجارب الحية؛ بدلاً من ذلك، استخدموا مغناطيسًا دائمًا لتوليد المجال المغناطيسي ودفع الروبوت يدويًا.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستخلصة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يبرز النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة في الدراسة. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال أشكال مختلفة من تمثيل البيانات، مثل الجداول، والرسوم البيانية، أو التحليلات الإحصائية، التي توفر تفسيرًا بصريًا واضحًا للنتائج.
قد يتضمن القسم أيضًا مقارنات بين المجموعات التجريبية، والأهمية الإحصائية للنتائج، وأي اتجاهات أو أنماط تم ملاحظتها. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري ملاحظة أي نتائج غير متوقعة أو شذوذ ظهرت خلال الدراسة، حيث يمكن أن تقدم رؤى حول الآليات الأساسية أو تقترح مجالات لمزيد من التحقيق. بشكل عام، تعتبر النتائج أساسًا للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة التي تم استخلاصها في الورقة.
نقاش
في هذه الدراسة، نقدم روبوتًا مستمرًا بتوجيه مغناطيسي مصمم لإظهار سلوك “اتباع القائد” (FTL)، حيث يتناول الحاجة الملحة للروبوتات المستمرة اللينة صغيرة الحجم للتنقل بشكل مستقل في بيئات معقدة مع الحفاظ على الاستقرار الهيكلي. يتكون الروبوت من مكونين لانتقال الطور (PTCs) يمكنهما الانتقال بين الحالات الصلبة والسائلة، مما يسمح لهما بالتناوب في الأدوار كمرشد و تابع. يمكّن هذا الآلية المرشد من التوجيه والتنقل تحت مجال مغناطيسي بينما يوفر التابع الدعم الهيكلي. يسمح تصميم الروبوت بمرونة وطول كبيرين، مع حجم مقطع عرضي أقصى يبلغ حوالي 3-4 مم وأطوال تمتد إلى عدة أمتار.
تم تحسين إدارة الحرارة لضمان وصول PTCs إلى درجات حرارة انتقال الطور بكفاءة، مع محاكاة تشير إلى أن تيارًا قدره 0.9 A مطلوب في الماء و0.3 A في الهواء لتحقيق التغيرات اللازمة في الصلابة. تم إثبات قدرات التشغيل للروبوت من خلال إعدادات تجريبية متنوعة، مما يبرز قدرته على التنقل عبر تضاريس معقدة وأداء مهام مثل تشكيل هياكل وظيفية في الموقع. تم التحقق من التطبيقات السريرية المحتملة للروبوت من خلال تجارب في نماذج حيوية ذات صلة، مما يظهر فعاليته في التنقل عبر الهياكل التشريحية وأداء المهام الجراحية مع الحد الأدنى من التفاعل مع الأنسجة. بشكل عام، يمثل هذا الروبوت المستمر تقدمًا كبيرًا في الروبوتات اللينة للتطبيقات الطبية، مع التركيز على السلامة، والتوافق الحيوي، والمرونة في البيئات الجراحية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48058-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38704384
Publication Date: 2024-05-04
Author(s): Liyang Mao et al.
Primary Topic: Micro and Nano Robotics
Overview
The research introduces a novel millimeter-scale continuum robot designed for transluminal procedures, addressing the challenges posed by existing soft continuum robots that rely on interactions with luminal walls for mobility. This new robot features a unique design that incorporates phase transition components, allowing it to achieve tip-based elongation while maintaining structural stability. The robot operates through programmable magnetic fields, utilizing a solid-like backbone for stability and a liquid-like component for advancement, which facilitates autonomous shaping without the need for environmental interaction.
Clinical imaging technologies have been employed to demonstrate the robot’s ability to navigate through complex and delicate lumina, effectively transporting microsurgical tools. Upon reaching larger anatomical spaces, such as the stomach, the robot can transform into functional 3D structures, enhancing its utility as surgical tools or sensing units. This design paradigm promises improved safety, multi-functionality, and cooperative capabilities, thereby advancing the field of transluminal robotic surgery. The implications of this research suggest a significant step towards less invasive medical procedures, minimizing postoperative complications and enhancing patient outcomes.
Methods
In this section, the authors describe the experimental setup utilized for their research, which consists of three main components. The first component is a magnetic actuation system, equipped with eight amplifiers (HEA-200C) and a control computer, designed to generate the necessary magnetic fields for robot propulsion. The second component includes an ultrasonic imaging device (E2, SonoScape, Inc.), a four-degree-of-freedom (4-DOF) platform, and two cameras (acA2040-120um, Basler, Inc.) for imaging purposes. The third component is an advancement unit and a source meter system (Keithley 2636B) for robot manipulation.
The experimental design allows for the accommodation of spheres with a diameter of 308 mm, facilitating the use of various experimental animals such as rats, rabbits, and pigs. The robot’s movement is achieved through the advancement unit, while its trajectory is influenced by the magnetic field. The ultrasound probe, mounted on the 4-DOF platform, enables localization within liquid environments. Notably, the authors mention that X-ray imaging was not integrated into this experimental system, which precluded certain in vivo experiments; instead, they utilized a permanent magnet for magnetic field generation and manual propulsion of the robot.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses or research questions posed in the study. The results are typically illustrated through various forms of data representation, such as tables, graphs, or statistical analyses, which provide a clear visual interpretation of the findings.
The section may also include comparisons between experimental groups, statistical significance of the results, and any observed trends or patterns. Additionally, it is essential to note any unexpected results or anomalies that emerged during the study, as these can offer insights into the underlying mechanisms or suggest areas for further investigation. Overall, the results serve as a foundation for the subsequent discussion and conclusions drawn in the paper.
Discussion
In this study, we present a novel magnetic steering continuum robot designed to exhibit follow-the-leader (FTL) behavior, addressing the critical need for small-scale soft continuum robots to autonomously navigate complex environments while maintaining structural stability. The robot comprises two phase transition components (PTCs) that can transition between solid and liquid states, allowing them to alternate roles as the Guider and Follower. This mechanism enables the Guider to steer and navigate under a magnetic field while the Follower provides structural support. The robot’s design allows for significant flexibility and length, with a maximum cross-sectional size of approximately 3-4 mm and lengths extending up to several meters.
Thermal management is optimized to ensure the PTCs reach their phase transition temperatures efficiently, with simulations indicating that a current of 0.9 A is required in water and 0.3 A in air to achieve the necessary stiffness changes. The robot’s operational capabilities were demonstrated through various experimental setups, showcasing its ability to navigate through complex terrains and perform tasks such as forming functional structures in situ. The robot’s potential clinical applications were validated through experiments in biologically relevant phantoms and live models, demonstrating its efficacy in navigating anatomical structures and performing surgical tasks with minimal tissue interaction. Overall, this continuum robot represents a significant advancement in soft robotics for medical applications, emphasizing safety, biocompatibility, and versatility in surgical environments.