За последние десятилетия роботизированные системы становятся все более изощренными, совершенствуясь как с точки зрения точности, так и с точки зрения возможностей. Это постепенно способствует частичной автоматизации некоторых хирургических и медицинских процедур.
Исследователи из Университета Цинхуа недавно разработали мягкое роботизированное щупальце, которое потенциально можно использовать для повышения эффективности некоторых стандартных медицинских процедур. Это щупальце, представленное в IEEE Transactions on Robotics, управляется с помощью их нового алгоритма управления вместе с так называемым активным охлаждением для сплава с памятью формы, который является активным кандидатом для робота.
«Однажды в нашу лабораторию пришел врач-нейрохирург и спросил о возможности разработки для него мягкого управляемого катетера, который поможет ему в нейрохирургии», — рассказал Tech Xplore один из исследователей, проводивших исследование, Хуичан Чжао. «Он хотел бы, чтобы этот мягкий катетер был чрезвычайно безопасным для окружающей среды и мог сгибаться в разные стороны с помощью пульта дистанционного управления. Исходя из этих требований, мы разработали мягкое роботизированное щупальце».
Первоначальный прототип роботизированного щупальца, созданный Чжао и его коллегами, имел два ключевых недостатка. Во-первых, он двигался слишком медленно, а во-вторых, его движения было трудно контролировать, особенно в присутствии известных или неизвестных внешних возмущений.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи создали «двухканальный контроллер с несколькими входами и несколькими выходами», основанный на двух стратегиях управления изгибом и поворотным движением соответственно, а также на стратегии активного охлаждения материалов SMA, которая позволила бы им чтобы лучше контролировать движения своих роботов. Основная цель этого контроллера — ускорить скорость срабатывания роботизированного щупальца и улучшить управляемость, поскольку это, в свою очередь, может облегчить его реализацию в реальном мире.
«Наше щупальце приводится в действие путем нагрева/охлаждения трех пружин из сплава с эффектом памяти формы (SMA)», — сказал Tech Xplore Синь Ан, другой исследователь, проводивший исследование. «Эти пружины SMA сжимались/удлинялись при нагревании/охлаждении соответственно, поэтому заставляли щупальце изгибаться в разных направлениях под разными углами. щупальце и контроллер обратной связи, чтобы давать команды SMA и заставлять щупальце деформироваться в нужном направлении и под нужным углом».
Пружины SMA, управляющие роботизированным щупальцем команды, имеют высокую плотность энергии. В результате щупальце также можно было бы сделать легким и компактным, что могло бы лучше подходить для некоторых медицинских применений.
Мягкое роботизированное щупальце, управляемое активным охлаждением
Человек использует ручку и управляет роботизированным щупальцем в режиме реального времени. 1 кредит
Исследователи протестировали свою систему в серии экспериментов, в ходе которых они дистанционно управляли ею, чтобы сканировать изображения комнаты с помощью встроенной камеры. Они обнаружили, что он дает очень многообещающие результаты, поскольку может эффективно и быстро выполнять различные изгибающие движения.
«Роботизированное щупальце успешно приводилось в действие интеллектуальными материалами и сформировало довольно мягкий, ловкий и управляемый манипулятор», — пояснил Чжао. «Это означает, что в будущем мы потенциально могли бы построить роботизированную руку, катетер или эндоскоп, используя мягкие материалы с характеристиками, аналогичными тем, которые достигаются их жесткими аналогами».
Пока исследователи тестировали свое роботизированное щупальце только в своей лаборатории, в конечном итоге они также надеются протестировать его в клинических условиях, используя его для проведения реальных операций. Для этого они сейчас работают над дальнейшим улучшением возможностей срабатывания, считывания и контроля своей системы, чтобы она могла помочь хирургам проводить внутренние осмотры, не нанося вреда телу пациента.
«Теперь мы надеемся интегрировать бортовые датчики, чтобы получать в реальном времени положение и форму нашего роботизированного щупальца», — добавил Ан. «Инерциальный измерительный блок (IMU) и решетки Фиббера Брэгга (FBG) являются потенциальными кандидатами для нашей сенсорной системы. Если мы успешно получим положение / форму нашего единственного модуля щупалец, мы сможем соединить несколько сегментов модуля в более длинный мягкий манипулятор с большей ловкостью. ."