[논문 리뷰] Magnetic Ball Chain Robots for Endoluminal Interventions

Giovanni Pittiglio, Margherita Mencattelli외 1명|PubMed|2023. 02. 07.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유연한 고무 필름으로 감싸인 영구 자석 구로 이루어진 마그네틱 볼 체인 로봇—내시적 수술에서 고곡률 굽힘을 가능하게 하는 장치—를 소개한다. 외부 자기장으로 로봇을 조작함으로써, 이 설계는 이전의 자기연성 연속 로봇에 비해 뛰어난 조종성과 최소 곡률 반경을 달성하였으며, 백혈관 유사 경로에서의 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었다. 결과적으로 1mm 미만의 정밀도를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기력 조작 토크와 굽힘 강성 사이의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 자기 재료 비율을 극대화하면서도 유연성과 탄성을 유지하는 초초과도(하이퍼레두ndant) 유연한 로봇 설계를 개발하기 위해.
• 복잡하고 좁은 분지형 해부학적 경로를 고정밀도로 통과시킬 수 있도록 하기 위해.
• 에너지 최소화 기반의 운동학적 모델을 수립하여 로봇의 형태 예측 정확도를 확보하기 위해.
• 90°에서 165°까지의 굴곡 각을 가진 채널에서의 실험적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 로봇는 자기 이중극을 동일 방향으로 배열한 NdFeB 구형 영구자석을 연속적으로 배열하고, 얇고 탄성 있는 고무 필름으로 감싸는 방식이다.
• 전체 시스템의 에너지(자기적, 탄성적, 중력적 위치 에너지 포함)를 최소화함으로써 운동학적 모델을 유도한다.
• 외부 이중극 자석이 생성하는 자기장은 각 구에 토크를 가하여 자기 이중극을 자기장 방향으로 정렬시키도록 한다.
• 모델은 균일한 외부 자기장, 무시할 수 있는 마찰, 탄성 필름의 조각별 일정한 곡률을 가정한다.
• 수치적 에너지 최소화 기법을 사용하여 외부 자기장과 기계적 제약 조건 하에서 로봇의 평형 형태를 계산한다.
• 3D 프린팅으로 제작한 분지형 채널 구조에서 외부 N52 자석을 사용하여 영상 추적 기반으로 로봇 중심선을 측정함으로써 모델의 타당성을 실험적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 이중극이 정렬된 구형 영구자석 체인은 기존의 자기연성 연속 로봇보다 더 높은 굽힘 곡률을 달성할 수 있는가?
• RQ2 관절형 체인 구조에 개별 자석 구를 포함시킬 경우, 자기력 토크와 구조적 탄성 사이의 상충 관계는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 에너지 최소화 기반의 운동학적 모델이 외부 자기장 하에서 실제 마그네틱 볼 체인 로봇의 형태를 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 볼 체인 로봇은 복잡하고 좁은 분지형 채널을 고정밀도로 통과시킬 수 있는가?
• RQ5 통제된 채널 주행 작업에서 예측된 형태와 측정된 형태 간의 실험 오차는 얼마인가?

주요 결과

• 마그네틱 볼 체인 로봇는 165° 분지형 채널을 통과할 수 있을 정도의 최소 곡률 반경을 확보하여 뛰어난 조종성을 입증하였다.
• 모든 구성 및 구에 대해 중심선 예측 오차는 0.42 ± 0.47 mm로 나타나 정확도가 매우 높음을 확인하였다.
• 90°에서 165°까지의 다섯 가지 채널 구성 모두에서 로봇이 성공적으로 통과하여, 복잡한 혈관 유사 기하학적 환경에서의 능력을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과, 볼 체인 설계는 뭉치형 자석 및 분포형 입자 자석 연속 로봇에 비해 최소 달성 곡률 반경과 작업 공간 부피 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 굽힘이 주로 두세 개의 구에서 발생함을 확인하여, 구형 관절의 행동과 국소적 변형을 확인하였다.
• 에너지 최소화 모델은 로봇의 형태를 정확하게 예측하였으며, 향후 제어 및 설계를 위한 이론적 프레임워크의 타당성을 검증하였다.