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

Resumo Técnico: Um Robô Soft Multi-Vinha que Permite Canal de Trabalho Acessível e Direcionamento

Definição do Problema
Robôs de eversão suave, ou "robôs vinha" (vine robots), oferecem um potencial significativo para navegação em ambientes confinados e complexos, como o cólon humano, devido à sua capacidade de crescer com fricção mínima via crescimento da ponta. No entanto, o desempenho de sua navegação depende fortemente das interações ambientais, e mudanças direcionais agudas frequentemente excedem as capacidades do crescimento passivo, necessitando de mecanismos de direcionamento ativo. Além disso, aplicações existentes que requerem a entrega de carga (por exemplo, ferramentas microcirúrgicas) enfrentam limitações com os designs atuais. Tentativas anteriores de integrar canais de trabalho dentro do corpo da vinha restringem o tamanho da ferramenta, introduzem fricção e limitam o acesso ao ambiente estritamente à ponta do robô. Há uma necessidade de um sistema que permita o direcionamento ativo e facilite a entrega de ferramentas sem incorporar o canal dentro da estrutura de crescimento da vinha.

Metodologia
Os autores propõem uma arquitetura multi-vinha consistindo em dois robôs vinha acoplados a um canal de trabalho integrado externamente via pontas de montagem suaves. O sistema é fabricado usando folhas de polietileno de baixa densidade (LDPE) (0,06 mm de espessura) soldadas por ultrassom em tubos retangulares, que se expandem para diâmetros de 10 mm e 20 mm após a pressurização. O canal de trabalho é um tubo de silicone de 6 mm de diâmetro externo ancorado externamente, enquanto capas de tecido macio ligam as duas vinhas e o canal.

A estratégia de controle baseia-se na atuação independente das duas vinhas:

• Crescimento Reto: Ambas as vinhas são infladas na mesma pressão, permitindo que o canal de trabalho avance livremente.
• Direcionamento: Para realizar uma curva (por exemplo, uma curva à esquerda), a vinha do lado direito é pressurizada enquanto o canal de trabalho é travado. Esta atuação assimétrica induz o enrugamento estrutural (buckling), resultando em uma mudança direcional aguda. O processo é revertido para curvas opostas.
• Controle de Crescimento: A velocidade de avanço do canal de trabalho é controlada manualmente para regular a velocidade de crescimento do sistema e garantir que as capas suaves permaneçam em suas posições pretendidas.

Principais Contribuições

• Arquitetura Multi-Vinha: A introdução de um sistema de dupla vinha acoplado a um canal de trabalho externo, desacoplando o mecanismo de direcionamento do caminho de entrega da carga.
• Canal de Trabalho Externo: Um design que preserva um canal de trabalho desde a base até a ponta sem incorporá-lo dentro dos corpos das vinhas, reduzindo assim a fricção e as restrições de tamanho da ferramenta.
• Mecanismo de Direcionamento Ativo: Um método utilizando pressurização assimétrica para induzir o enrugamento, permitindo curvas agudas (quase 90 graus) durante o crescimento.

Resultos
A caracterização experimental demonstrou que a adição de capas suaves não alterou significativamente os requisitos de pressão de crescimento. Embora as vinhas de menor diâmetro (10 mm) tenham exigido pressões de crescimento mais altas devido ao aumento da fricção, estas pressões permaneceram bem abaixo da pressão de ruptura, indicando uma margem de segurança suficiente.

• Ambiente Aberto: O sistema multi-vinha cresceu com sucesso para frente e realizou curvas controladas, localizando e entrando com precisão em aberturas de tubos.
• Ambiente Confinado: Em um fantoma de cólon de silicone com dimensões realistas, o sistema de 10 mm de diâmetro navegou com sucesso por uma curva de 90° carregando o canal de trabalho. Isso foi alcançado apesar de o material do fantoma ser menos escorregadio que um cólon real, o que aumentou a fricção.

Significância e Alegações
O artigo afirma que esta arquitetura melhora significamente o desempenho de navegação de robôs de eversão tanto em ambientes abertos quanto confinados. Ao manter um canal de trabalho integrado externamente, o sistema aborda uma limitação fundamental dos designs existentes ao permitir uma entrega de ferramentas menos restrita. Os autores afirmam que o robô multi-vinha demonstra manobrabilidade suficiente para crescer através de um fantoma de cólon, oferecendo uma solução potencial para cenários onde um único robô menor poderia depender de forças de contato com a parede que poderiam causar desconforto. O trabalho destaca o potencial desta arquitetura para aplicações médicas e não médicas versáteis, com trabalhos futuros planejados para caracterizar quantitativamente os ganhos de desempenho de direcionamento e desenvolver o canal de trabalho para permitir o acesso à ferramenta ao longo de todo o comprimento do corpo do robô, não apenas na ponta.