[논문 리뷰] A soft robotic tongue to develop solutions to manage swallowing disorders

Marco Marconati, S. Pani외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 02.

Tracheal and airway disorders참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 인간의 혀 기계학을 모방한 부드러운 로봇 혀 액추에이터를 도입하여 실제 생리학적 환경에서 삼키기 동역학을 시험할 수 있도록 한다. 조절 가능한 습윤성과 제어 가능한 기계적 작동을 통합함으로써, 이 시스템은 생리학적으로 유의미한 구강 이송 시간, 구강 운동 속도 및 경구압력을 재현한다. 결과적으로 최적의 혀 조율이 이송 시간과 잔류물 양을 최소화하며, 두꺼운 점성 감소성 액체는 조율이 불량한 상황에서도 구강 운동 제어를 향상시킨다.

ABSTRACT

The development of novel texture adaptations for the management of swallowing disorders could be accelerated if reliable in vitro tests were made available. This study addresses some of the limitations of swallowing in vitro models, by introducing a soft robotic actuator inspired by the tongue. The wettability of the soft-robotic actuator was engineered to achieve physiologically relevant contact angles to allow comparing dry and lubricated conditions. The actuator design and the control algorithm are designed to offer flexibility in the swallowing patterns to consider different scenarios, including poor lingual coordination. In vitro swallowing tests with shear thinning liquids were performed as a proof of concept and showed physiologically relevant oral transit time, bolus velocity and palatal pressure. Both the bolus rheology and the coordination of the peristaltic contractions influenced the temporal evolution of the bolus velocity and the bolus transit time. This novel soft robotic tongue, its integration in an in vitro oral cavity and its flexible control can therefore contribute to developing better solutions to manage swallowing disorders.

연구 동기 및 목표

• 기존의 비침습적 삼키기 모델에서의 한계, 특히 단순화된 기하학적 형상, 경직된 재료, 그리고 침 윤활 효과의 부재를 해결하기 위해.
• 내부 침실에 기계적 압력을 가하여 운동성 혀 움직임을 모방하는 부드러운 로봇 혀 액추에이터를 개발하기 위해.
• 구강 이송 시간과 경구압력에 영향을 미치는 류미올로지, 혀 조율, 윤활 효과를 제어 가능한 조건에서 연구하기 위해.
• 구강 및 식도 기능 장애를 앓는 환자를 위한 신규 식품 제형의 걸러내기 위한 확장 가능하고 유연한 비침습적 플랫폼을 제공하기 위해.
• 액추에이터 제어에서 조절 가능한 시간 매개변수를 활용하여, 혀 조율이 불량한 경우에 구강 운동 제어 및 청소 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 임상적 3D 메시를 기반으로 한 3D 프린팅된 반투명한 비침습적 구강 구조를 설계하였으며, 이는 부드러운 로봇 혀를 수용하도록 수정되었다.
• 부드러운 로봇 혀는 기계적 팽창을 통해 후방 및 전방 침실을 제어하는 기계적 팽창 액추에이터로 구성되어 있으며, 이는 운동성 파동을 모방한다.
• 액추에이터 표면의 습윤성을 인간 혀의 특성과 일치하도록 설계하여 건조 조건과 윤활 조건 간의 비교를 가능하게 하였다.
• 고속 비디오 촬영을 통해 구강 운동을 기록하였으며, 경구압력은 내장된 변환기로 측정하였고, 구강 운동 속도는 초음파 도플러 프로파일링을 통해 추적하였다.
• 제어 매개변수, 특히 후방 탈기와 전방 팽창 사이의 시간 지연(tA)을 체계적으로 변화시켜 조율된 및 조율이 불량한 삼키기 동작을 시뮬레이션하였다.
• 류동성에 영향을 미치는 영향을 평가하기 위해 점성 감소성 액체(TUC 용액 4.59% w/w)를 구강 운동 모델로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후방 탈기 이후 전방 혀 팽창의 시점이 구강 이송 시간과 구강 운동 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비침습적 모델에서 다양한 조율 패턴 하에서 구강 운동 류미올로지와 경구압력가 어떻게 변화하는가?
• RQ3 표면 윤활의 유무가 잔류물과 이송 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 부드러운 로봇 혀가 두꺼운 점성 감소성 액체에 대해 생리학적으로 유의미한 구강 이송 시간과 경구압력을 재현할 수 있는가?
• RQ5 불량한 혀 조율이 구강 운동 제어 및 청소 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 완벽한 조율 조건(tA = 0 s)에서 가장 짧은 구강 이송 시간(0.27 s)을 기록하였으며, 전방 침실 팽창이 0.2 s 지연된 경우 이송 시간은 0.41 s로 증가하였다.
• 조율 지연(tA)과 이송 시간 사이에 비단조화적인 관계가 관찰되었으며, 지연된 또는 앞서는 수축이 모두 이송 시간을 증가시켰지만, 설정된 지연보다는 낮은 정도였다.
• 구강 운동 속도 프로파일은 후방 침실 재팽창 이후 약 0.6 s에 특징적인 두 번째 피크를 보였으며, tA = 0 s일 경우 진폭이 감소하여 경구에 잔류하는 구강 운동의 양이 적음을 나타내었다.
• 윤활이 없는 조건에서는 얇은 구강 운동에서 잔류물이 약간 증가했지만, 이송 시간에 미치는 영향은 거의 없었으며, 윤활 효과가 점도가 낮은 액체에 더 중요하다는 것을 시사한다.
• 조금의 지연(0.2 s)이 있더라도, 가장 두꺼운 TUC 용액(4.59% w/w)에서는 구강 운동이 조기에 새어나가는 현상이 발생하지 않았으며, 이는 높은 점도와 점성 감소 특성이 보호 효과를 제공함을 확인한다.
• 구강 운동의 농도가 높을수록 경구압력이 증가하였으며, 앞부분 혀에서 더 높은 압력이 가해져 삼키기 과정에서 생리학적 압력 기울기를 반영하였다.