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

Sintesi Tecnica: Un Robot Soft Multi-Vine che Abilita un Canale di Lavoro Accessibile e lo Sterzo

Problema
I robot a eversione soft, o "vine robots", offrono un potenziale significativo per la navigazione in ambienti complessi e confinati come il colon umano, grazie alla loro capacità di crescere con attrito minimo tramite la crescita della punta. Tuttavia, le loro prestazioni di navigazione dipendono fortemente dalle interazioni con l'ambiente e i cambiamenti di direzione bruschi superano spesso le capacità della crescita passiva, rendendo necessari meccanismi di sterzata attiva. Inoltre, le applicazioni esistenti che richiedono la consegna di carichi utili (ad es. strumenti microchirurgici) affrontano limitazioni con i design attuali. I tentativi precedenti di integrare canali di lavoro all'interno del corpo del vine hanno limitato le dimensioni degli strumenti, introdotto attrito e ristretto l'accesso all'ambiente esclusivamente alla punta del robot. È necessario un sistema che permetta lo sterzo attivo e faciliti la consegna di strumenti senza incorporare il canale all'interno della struttura in crescita del vine.

Metodologia
Gli autori propongono un'architettura multi-vine composta da due robot vine accoppiati a un canale di lavoro integrato esternamente tramite punte di montaggio morbide. Il sistema è fabbricato utilizzando fogli di polietilene a bassa densità (LDPE) (spessore 0,06 mm) saldati tramite ultrasuoni in tubi rettangolari, che si espandono fino a diametri di 10 mm e 20 mm in seguito alla pressurizzazione. Il canale di lavoro è un tubo di silicone con un diametro esterno di 6 mm ancorato esternamente, mentre cappucci di tessuto morbido collegano i due vine e il canale.

La strategia di controllo si basa sull'attuazione indipendente dei due vine:

• Crescita Rettilinea: Entrambi i vine vengono gonfiati alla stessa pressione, consentendo al canale di lavoro di avanzare liberamente.
• Sterzo: Per eseguire una curva (ad es. una curva a sinistra), il vine sul lato destro viene pressurizzato mentre il canale di lavoro viene bloccato. Questa attuazione asimmetrica induce un buckling strutturale, risultando in un cambiamento di direzione netto. Il processo viene invertito per le curve opposte.
• Controllo della Crescita: La velocità di avanzamento del canale di lavoro è controllata manualmente per regolare la velocità di crescita del sistema e garantire che i cappucci morbidi rimangano nelle loro posizioni previste.

Contributi Chiave

• Architettura Multi-Vine: L'introduzione di un sistema a doppio vine accoppiato a un canale di lavoro esterno, che decoppia il meccanismo di sterzo dal percorso di consegna del carico utile.
• Canale di Lavoro Esterno: Un design che preserva un canale di lavoro dalla base alla punta senza incorporarlo nei corpi dei vine, riducendo così l'attrito e i vincoli sulle dimensioni degli strumenti.
• Meccanismo di Sterzo Attivo: Un metodo che utilizza la pressurizzazione asimmetrica per indurre il buckling, consentendo curve strette (quasi 90 gradi) durante la crescita.

Risultati
La caratterizzazione sperimentale ha dimostrato che l'aggiunta di cappucci morbidi non ha alterato significativamente i requisiti di pressione di crescita. Sebbene i vine con diametro minore (10 mm) richiedessero pressioni di crescita più elevate a causa dell'aumento dell'attrito, queste pressioni rimanevano ben al di sotto della pressione di rottura, indicando un margine di sicurezza sufficiente.

• Ambiente Aperto: Il sistema multi-vine è riuscito a crescere in avanti ed eseguire curve controllate, localizzando ed entrando accuratamente in aperture di tubazioni.
• Ambiente Confinato: In un fantoccio di colon in silicone con dimensioni realistiche, il sistema con diametro di 10 mm è riuscito a navigare una curva a 90° trasportando il canale di lavoro. Ciò è stato ottenuto nonostante il materiale del fantoccia fosse meno scivoloso di un vero colon, il che aumentava l'attrito.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che questa architettura migliora significativamente le prestazioni di navigazione dei robot a eversione sia in ambienti aperti che confinati. Mantenendo un canale di lavoro integrato esternamente, il sistema affronta una limitazione chiave dei design esistenti, consentendo una consegna degli strumenti meno restrittiva. Gli autori affermano che il robot multi-vine dimostra una manovrabilità sufficiente per crescere attraverso un fantoccio di colon, offrendo una potenziale soluzione per scenari in cui un singolo vine più piccolo potrebbe fare affidamento su forze di contatto con la parete che potrebbero causare disagio. Il lavoro evidenzia il potenziale di questa architettura per applicazioni mediche e non mediche versatili, con lavori futuri pianificati per caratterizzare quantitativamente i guadagni di prestazioni dello sterzo e sviluppare il canale di lavoro per consentire l'accesso agli strumenti lungo l'intera lunghezza del corpo del robot, non solo alla punta.