[論文レビュー] Magnetic Ball Chain Robots for Endoluminal Interventions

Giovanni Pittiglio, Margherita Mencattelli+1 more|PubMed|Feb 7, 2023

Micro and Nano Robotics参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、永久磁石で磁化された球体を連結した磁気ボールチェーンロボット——柔軟なポリマー被膜で包まれたチェーン——を紹介する。このロボットは、外部磁場を用いて操縦することで、従来の磁気ソフトコンtinuumロボットに比べ、優れた操縦性と最小曲率半径を実現し、分岐路を有する生体内部挿入的介入において、0.5 mm未満の精度で動作を確認した。

ABSTRACT

This paper introduces a novel class of hyperredundant robots comprised of chains of permanently magnetized spheres enclosed in a cylindrical polymer skin. With their shape controlled using an externally-applied magnetic field, the spherical joints of these robots enable them to bend to very small radii of curvature. These robots can be used as steerable tips for endoluminal instruments. A kinematic model is derived based on minimizing magnetic and elastic potential energy. Simulation is used to demonstrate the enhanced steerability of these robots in comparison to magnetic soft continuum robots designed using either distributed or lumped magnetic material. Experiments are included to validate the model and to demonstrate the steering capability of ball chain robots in bifurcating channels.

研究の動機と目的

• 磁気駆動トルクと曲げ剛性のトレードオフを解消すること。
• 磁気材料の含有率を最大化しつつ、柔軟性を損なわないハイパースレジュンダンツな柔軟ロボット設計を開発すること。
• 高精度で複雑かつ細い分岐した解剖的経路をナビゲートできること。
• エネルギー最小化に基づく運動学的モデルを用いて、ロボットの形状予測を正確に行うこと。
• 90°から165°の曲がり角を持つチャネルを用いた実験的妥当性を示すこと。

提案手法

• ロボットは、磁化されたNdFeB球体を磁気双極子が整列するように配置したチェーンであり、薄くて柔軟なポリマー被膜で包まれている。
• 全系エネルギー（磁気的・弾性的・重力的ポテンシャルエネルギーを含む）を最小化することで、運動学的モデルを導出する。
• 外部の双極子磁石からの磁場が、各球体にトルクを加え、その双極子モーメントを磁場方向に整列させる。
• モデルは一様な外部磁場、無視できる摩擦、および被膜の局所的定常曲率を仮定している。
• 数値的エネルギー最小化を用いて、外部磁場および機械的制約下でのロボットの平衡形状を計算する。
• 3Dプリントされた分岐チャネル構造を用いた実験で、画像追跡を用いてロボット中心線を測定し、モデルを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化された双極子が整列した球体チェーンは、従来の磁気ソフトコンティニュアスロボットよりも高い曲げ曲率を達成できるか？
• RQ2 ジョイント付きチェーン構造に離散的な磁性球体を組み込むことで、磁気トルクと構造的柔軟性のトレードオフにどのような影響を与えるか？
• RQ3 エネルギー最小化に基づく運動学的モデルは、外部磁場下での磁気ボールチェーンロボットの実際の形状をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 ボールチェーンロボットは、複雑で細い分岐チャネルを高精度かつ最小曲率半径でナビゲートできるか？
• RQ5 制御されたチャネルナビゲーションタスクにおいて、予測された形状と測定された形状との間の実験誤差はどの程度か？

主な発見

• 磁気ボールチェーンロボットは、165°の分岐チャネルをナビゲートできる最小曲率半径を達成し、優れた操縦性を示した。
• 全構成および全球体において、ロボット中心線のモデル予測誤差は0.42 ± 0.47 mmであり、高い精度を示した。
• 90°から165°の曲がり角を持つ5つの異なるチャネル構成すべてを正常にナビゲートし、複雑な血管様幾何形状への適応能力を確認した。
• シミュレーションでは、ボールチェーン設計が、集中磁気モードおよび分布粒子磁気コンティニュアスロボットよりも、最小達成可能曲率半径および作業空間体積において優れていた。
• 曲げの大部分は、曲がりの部分における2〜3個の球体に集中しており、球体ジョイントの挙動と局所的変形を裏付けた。
• エネルギー最小化モデルにより、ロボットの形状が正確に予測されたことから、今後の制御および設計の理論的枠組みが妥当であることが検証された。