Toward Soft-Robotic Image-Guided Tumor Puncture: Development and Control of a HASEL Actuator for Integration into a Novel Soft Robotic Concept
Este artículo presenta el desarrollo y control de un novedoso actuador S-HASEL, que cuenta con una geometría inspirada en un pulpo, electrodos recubiertos de oro para una autodetección de alta precisión y un sistema de accionamiento basado en PWM, para crear una solución robótica blanda y compacta para procedimientos de biopsia con aguja guiada por imagen.
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Imagina que eres un médico intentando encontrar un pequeño y oculto tumor en lo profundo del cuerpo de un paciente. Para estar seguro de qué es, necesitas tomar una pequeña muestra de tejido, un procedimiento llamado biopsia. Normalmente, un médico hace esto a mano, guiando una aguja a través de la piel mientras observa una tomografía computarizada (TC). Pero las tomografías computarizadas son como tomar una foto rápida y granulada; muestran bien los huesos, pero tienen dificultades para mostrar claramente los tejidos blandos y blandos. Esto puede provocar, a veces, que se pase por alto el tumor o se tome la muestra incorrecta. Por otro lado, las máquinas de resonancia magnética (RM) son como cámaras de alta definición que ven perfectamente los tejidos blandos y no utilizan radiación nociva, pero también son como túneles gigantes y estrechos. Es muy difícil para un humano meter la mano dentro de ese túnel para mover una aguja de forma segura.
Aquí es donde entra la "robótica blanda". Piensa en los robots tradicionales como brazos metálicos rígidos hechos de engranajes y motores: excelentes para construir coches, pero demasiado rígidos y peligrosos para abrazar a un humano o meterse en un estrecho túnel de RM. Los robots blandos, sin embargo, están hechos de materiales flexibles y blandos que pueden doblarse y estirarse como un músculo o un tentáculo. Un tipo especial de robot blando utiliza actuadores "HASEL". Puedes pensar en un actuador HASEL como un diminuto globo de agua inflable envuelto en una lámina de plástico especial. Cuando le das una descarga de electricidad de alto voltaje, la electricidad aprieta el plástico, lo que empuja el líquido hacia los extremos, haciendo que todo el conjunto se estire. La parte mágica es que estos robots también pueden "sentir" cuánto se han estirado simplemente escuchando sus propias señales eléctricas, actuando como una regla integrada. Este artículo explora cómo construir un tipo específico de estos robots elásticos para ayudar a los médicos a realizar biopsias de forma segura dentro de una máquina de RM.
Los investigadores de este artículo se propusieron construir un nuevo tipo de robot blando diseñado específicamente para sostener y mover una aguja de biopsia dentro de un escáner de RM. Su objetivo principal era crear un actuador "Segment-HASEL" (o S-HASEL) que fuera compacto, potente y que pudiera decirle a la computadora exactamente dónde se encuentra sin necesidad de sensores adicionales. Comenzaron observando cómo se mueven los brazos de los pulpos. Los brazos de los pulpos tienen músculos que corren transversalmente (músculos transversos); cuando estos músculos se contraen, el brazo se alarga. El equipo se dio cuenta de que los actuadores HASEL redondos estándar desperdician parte de su energía al ensancharse a medida que se alargan, pero una forma similar a la de un pulpo concentra toda esa energía únicamente en alargarse. Por ello, diseñaron su S-HASEL para que tuviera la apariencia de un tubo segmentado que se expande longitudinalmente, imitando este movimiento eficiente del pulpo.
Para que esto funcionara, el equipo tuvo que resolver algunos acertijos complicos. Primero, necesitaban encontrar la mejor "piel" y el "relleno" para los músculos de su robot. Probaron dos películas plásticas comunes, el polipropileno biaxialmente orientado (BOPP) y el Mylar 850, e intentaron llenarlas con diferentes cantidades de líquido (de 1.0 ml a 1.4 ml). Descubrieron que la película BOPP llena con exactamente 1.2 ml de líquido era la que mejor funcionaba. La película Mylar era demasiado impredecible; a veces funcionaba y otras veces perdía electricidad y fallaba por completo. La cantidad de 1.2 ml era la zona "Goldilocks" (el punto ideal): suficiente líquido para presionar con fuerza, pero no tanto como para que la presión impidiera que el robot se estirara.
A continuación, tuvieron que enseñar al robot cómo "sentir" su propia posición. Los actuadores HASEL pueden detectar su propio estiramiento midiendo los cambios en la electricidad, pero la señal era muy ruidosa y difusa, como intentar escuchar un susurro en un concierto ruidoso. El equipo probó usar grafito (mina de lápiz) para recubrir los sensores, pero el ruido seguía siendo demasiado alto. Entonces, probaron algo nuevo: utilizaron una máquina especial para rociar una fina capa de oro sobre los sensores. Esto cambió las reglas del juego. El oro hizo que la señal fuera cristalina. Cuando lo probaron, el robot podía adivinar su propia posición con una precisión increíble. De hecho, cuando se manejaba con una señal de pulso especial llamada PWM, el error era solo de 0.0078, lo cual es casi perfecto.
Finalmente, necesitaban una forma de controlar tres de estos músculos robóticos a la vez sin necesidad de tres enormes fuentes de alimentación. Construyeron un circuito ingenioso que utiliza la Modulación por Ancho de Pulso (PWM). Imagina que esto es como un interruptor de luz que se enciende y se apaga tan rápido que parece que está atenuado. Al encender y apagar el interruptor a diferentes velocidades, podían controlar cuánto se estiraba el robot utilizando una sola fuente de energía. Esto es crucial porque significa que todo el sistema del robot puede ser pequeño y sencillo, ajustándose fácilmente al estrecho espacio de un escáner de RM.
El artículo concluye que este nuevo diseño de S-HASEL es un paso prometedor hacia un robot blando que pueda ayudar a los médicos a realizar biopsias dentro de una RM. Demostraron que la forma inspirada en el pulpo funciona, que la película de plástico BOPP con 1.2 ml de líquido es la mejor receta, y que los sensores recubiertos de oro hacen que el robot "sienta" con gran precisión. Aunque el robot aún no está listo para ser utilizado en pacientes, el equipo ha demostrado que la tecnología central funciona. Sugieren que el trabajo futuro se centrará en mejorar aún más el robot mediante simulaciones por computadora y probándolo completamente dentro de una RM para asegurar que no interfiera con las imágenes. Esta investigación no pretende haber resuelto el problema de las biopsias guiadas por RM hoy mismo, pero ha construido una base muy sólida y fiable para los robots que podrían hacerlo en el futuro.
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