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

Technische Zusammenfassung: Ein Multi-Vine-Soft-Robot zur Ermöglichung eines zugänglichen Arbeitskanals und der Lenkung

Problemstellung
Soft-Eversions-Roboter, oder „Vine-Roboter“, bieten ein erhebliches Potenzial für die Navigation in komplexen, engen Umgebungen wie dem menschlichen Dickdarm, da sie durch Spitzenwachstum mit minimaler Reibung voranschreiten können. Ihre Navigationsleistung hängt jedoch stark von den Interaktionen mit der Umgebung ab, und scharfe Richtungsänderungen übersteigen oft die Fähigkeiten des passiven Wachstums, was aktive Lenkmechanismen erforderlich macht. Darüber hinaus stehen bestehende Anwendungen, die eine Nutzlastabgabe erfordern (z. B. mikroschirurgische Werkzeuge), aufgrund aktueller Designs vor Einschränkungen. Vorherige Versuche, Arbeitskanäle innerhalb des Vine-Körpers zu integrieren, begrenzen die Werkzeuggröße, führen zu Reibung und beschränken den Zugang zur Umgebung strikt auf die Spitze des Roboters. Es besteht ein Bedarf an einem System, das eine aktive Lenkung ermöglicht und die Lieferung von Werkzeugen erleichtert, ohne den Kanal fest in die wachsende Vine-Struktur einzubetten.

Methodik
Die Autoren schlagen eine Multi-Vine-Architektur vor, die aus zwei Vine-Robotern besteht, die über weiche Montage-Spitzen mit einem extern integrierten Arbeitskanal gekoppelt sind. Das System wird unter Verwendung von LDPE-Folien (0,06 mm Dicke) hergestellt, die durch Ultraschallverschweißung zu rechteckigen Röhren verschweißt werden, welche sich bei Druckbeaufschlagung auf Durchmesser von 10 mm und 20 mm ausdehnen. Der Arbeitskanal ist ein 6 mm Außendurchmesser messender Silikonschlauch, der extern verankert ist, während weiche Stoffkappen die beiden Vines und den Kanal verbinden.

Die Steuerungsstrategie beruht auf der unabhängigen Aktuierung der zwei Vines:

• Geradliniges Wachstum: Beide Vines werden mit demselben Druck beaufschlagt, wodurch der Arbeitskanal frei voranschreiten kann.
• Lenkung: Um eine Kurve zu vollziehen (z. B. eine Linkskurve), wird die Vine auf der rechten Seite unter Druck gesetzt, während der Arbeitskanal fixiert bleibt. Diese asymmetrische Aktuierung induziert ein strukturelles Ausknicken (Buckling), was zu einer scharfen Richtungsänderung führt. Der Prozess wird für entgegengesetzte Kurven umgekehrt.
• Wachstumskontrolle: Die Fortschrittsgeschwindigkeit des Arbeitskanals wird manuell gesteuert, um die Wachstumsgeschwindigkeit des Systems zu regulieren und sicherzustellen, dass die weichen Kappen in ihrer vorgesehenen Position bleiben.

Wesentliche Beiträge

• Multi-Vine-Architektur: Die Einführung eines Dual-Vine-Systems, das mit einem externen Arbeitskanal gekoppelt ist, wodurch der Lenkmechanismus vom Pfad der Nutzlastabgabe entkoppelt wird.
• Externer Arbeitskanal: Ein Design, das einen Arbeitskanal vom Basispunkt bis zur Spitze bewahrt, ohne ihn in die Vine-Körper einzubetten, wodurch die Reibung und die Beschränkungen der Werkzeuggröße reduziert werden.
• Aktiver Lenkmechanismus: Eine Methode, die durch asymmetrische Druckbeaufschlagung ein Ausknicken induziert und so scharfe Kurven (nahezu 90 Grad) während des Wachstums ermöglicht.

Ergebnisse
Die experimentelle Charakterisierung zeigte, dass die Zugabe der weichen Kappen die Anforderungen an den Wachstumsdruck nicht merklich veränderte. Während kleinere Durchmesser (10 mm) aufgrund erhöhter Reibung höhere Wachstumsdrücke erforderten, lagen diese Drücke deutlich unter dem Berstdruck, was auf eine ausreichende Sicherheitsmarge hindeutet.

• Offene Umgebung: Das Multi-Vine-System wuchs erfolgreich vorwärts und vollzog kontrollierte Kurven, wobei es Rohröffnungen präzise lokalisierte und durchquerte.
• Eingeschränkte Umgebung: In einem Silikon-Dickdarm-Phantom mit realistischen Dimensionen navigierte das 10-mm-Durchmesser-System erfolgreich durch eine 90°-Biegung, während es den Arbeitskanal mitführte. Dies gelang trotz der Tatsache, dass das Phantom-Material weniger gleitfähig als ein echter Dickdarm war, was die Reibung erhöhte.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass diese Architektur die Navigationsleistung von Eversions-Robotern sowohl in offenen als auch in eingeschränkten Umgebungen signifikant verbessert. Durch die Beibehaltung eines extern integrierten Arbeitskanals adressiert das System eine Schlüsselbeschränkung bestehender Designs, indem es eine weniger restriktive Werkzeugabgabe ermöglicht. Die Autoren führen aus, dass der Multi-Vine-Roboter eine ausreichende Manövrierfähigkeit aufweist, um durch ein Dickdarm-Phantom zu wachsen, was eine potenzielle Lösung für Szenarien bietet, in denen ein einzelner, kleinerer Vine auf Wandkontaktkräfte angewiesen wäre, die Unbehagen verursachen könnten. Die Arbeit unterstreicht das Potenzial dieser Architektur für vielseitige medizinische und nicht-medizinische Anwendungen; zukünftige Arbeiten planen, die Steigerung der Lenkleistung quantitativ zu charakterisieren und den Arbeitskanal so zu entwickeln, dass der Werkzeugzugriff entlang der gesamten Länge des Roboterkörpers und nicht nur an der Spitze möglich ist.