A Multi-Vine Soft Robot Enabling Accessible Working Channel and Steering

ملخص تقني: روبوت لين متعدد الكروم (Multi-Vine) يتيح قناة عمل ميسرة وتوجيهاً فعالاً

بيان المشكلة
توفر روبوتات الانقلاب اللينة (eversion robots)، أو ما يعرف بـ "روبوتات الكروم" (vine robots)، إمكانات كبيرة للملاحة في البيئات المعقدة والضيقة مثل القولون البشري، وذلك بفضل قدرتها على النمو مع حد أدنى من الاحتكاك عبر نمو الطرف. ومع ذلك، يعتمد أداء الملاحة الخاص بها بشكل كبير على التفاعلات البيئية، كما أن التغيرات الاتجاهية الحادة غالباً ما تتجاوز قدرات النمو السلبي، مما يستلزم آليات توجيه نشطة. علاوة على ذلك، تواجه التطبيقات الحالية التي تتطلب توصيل حمولة (مثل الأدوات الجراحية الدقيقة) قيوداً مع التصاميم الحالية؛ حيث إن المحاولات السابقة لدمج قنوات عمل داخل جسم "الكروم" تضيق حجم الأداة، وتزيد من الاحتكاك، وتحصر الوصول إلى البيئة في طرف الروبوت فقط. هناك حاجة لنظام يتيح التوجيه النشط ويسهل توصيل الأدوات دون دمج القناة داخل هيكل "الكروم" المتنامي.

المنهجية
يقترح المؤلفون بنية متعددة الكروم تتكون من روبوتين من نوع "الكروم" متصلين بقناة عمل مدمجة خارجياً عبر رؤوس تثبيت لينة. تم تصنيع النظام باستخدام صفائح البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) (بسمك 0.06 مم) ملحومة بالموجات فوق الصوتية لتشكيل أنابيب مستطيلة، والتي تتمدد لتصل أقطارها إلى 10 مم و20 مم عند الضغط. قناة العمل عبارة عن أنبوب سيليكون بقطر خارجي يبلغ 6 مم مثبت خارجياً، بينما تربط أغطية قماشية لينة بين الكروم الاثنين وقناة العمل.

تعتمد استراتيجية التحكم على التشغيل المستقل لكلا الكروم:

• النمو المستقيم: يتم نفخ كلا الكروم بنفس الضغط، مما يسمح لقناة العمل بالتقدم بحرية.
• التوجيه: لتحقيق انعطاف (على سبيل المثال، انعطاف يسار)، يتم ضغط الكروم الموجود في الجانب الأيمن بينما يتم قفل قناة العمل. يؤدي هذا التشغيل غير المتماثل إلى حدوث انبعاج هيكلي، مما ينتج عنه تغيير اتجاهي حاد. وتُعكس العملية للقيام بانعطافات معاكسة.
• التحكم في النمو: يتم التحكم يدوياً في سرعة تقدم قناة العمل لتنظيم سرعة نمو النظام وضمان بقاء الأغطية اللينة في مواضعها المقصودة.

المساهمات الرئيسية

• بنية متعددة الكروم: تقديم نظام "كروم" مزدوج متصل بقناة عمل خارجية، مما يفصل آلية التوجيه عن مسار توصيل الحمولة.
• قناة عمل خارجية: تصميم يحافظ على قناة عمل من القاعدة إلى الطرف دون دمجها داخل أجسام "الكروم"، مما يقلل من الاحتكاك وقيود حجم الأداة.
• آلية توجيه نشطة: طريقة تستخدم الضغط غير المتماثل لإحداث انبعاج، مما يتيح إجراء انعطافات حادة (تقترب من 90 درجة) أثناء النمو.

النتائج
أظهر التوصيف التجريبي أن إضافة الأغطية اللينة لم تغير بشكل ملحوظ متطلبات ضغط النمو. وبينما تطلبت الكروم ذات القطر الأصغر (10 مم) ضغوط نمو أعلى بسبب زيادة الاحتكاك، إلا أن هذه الضغوط ظلت أقل بكثير من ضغط الانفجار، مما يشير إلى وجود هامش أمان كافٍ.

• البيئة المفتوحة: نجح نظام متعدد الكروم في النمو للأمام وأدى انعطافات محكومة، حيث حدد بدقة مواقع فتحات الأنابيب ودخلها.
• البيئة الضيقة: نجح نظام بقطر 10 مم في الملاحة عبر منعطف بزاوية 90 درجة داخل نموذج محاكاة للقولون مصنوع من السيليكون، حاملاً معه قناة العمل. وقد تحقق ذلك رغم أن مادة النموذج المحاكي كانت أقل انزلاقاً من القولون الحقيقي، مما زاد من الاحتكاك.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن هذه البنية تحسن بشكل كبير أداء الملاحة لروبوتات الانقلاب في كل من البيئات المفتوحة والضيقة. ومن خلال الحفاظ على قناة عمل مدمجة خارجياً، يعالج النظام عيباً رئيسياً في التصاميم الحالية عبر تمكين توصيل الأدوات بشكل أقل تقييداً. ويذكر المؤلفون أن روبوت "الكروم" المتعدد أظهر قدرة كافية على المناورة للنمو عبر نموذج محاكاة للقولون، مما يقدم حلاً محتملاً للسيناريوهات التي قد يعتمد فيها "الكروم" الفردي الأصغر حجماً على قوى تلامس الجدران التي قد تسبب عدم الراحة. يسلط العمل الضوء على إمكانات هذه البنية للتطبيقات الطبية وغير الطبية المتنوعة، مع التخطيط لأعمال مستقبلية تهدف إلى التوصيف الكمي لمكاسب أداء التوجيه وتطوير قناة العمل للسماح بالوصول إلى الأدوات على طول جسم الروبوت بالكامل، وليس فقط عند الطرف.