Octopus-Inspired Roboterarme können während der Operation Multitasking

Ein von Oktopus-Tentakeln inspirierter Roboterarm könnte Chirurgen den Zugang zu schwer zugänglichen Körperteilen erleichtern.

Ein neues Robotergerät verwendet eine Reihe aufblasbarer Kammern, um nachzuahmen, wie ein Oktopus seine Gliedmaßen in jede Richtung drehen, verlängern und biegen kann. Der mechanische Arm imitiert auch die Art und Weise, wie ein Oktopus die Steifheit verschiedener Teile seiner Tentakel verändern kann, so dass die Kopffüßer mit Objekten interagieren können.

Das Gerät könnte Chirurgen dabei helfen, Teile des Körpers zu erreichen, die normalerweise schwer zugänglich sind. Ein Abschnitt des Roboterarms wird dann in der Lage sein, weiche Organe zu handhaben, ohne sie zu beschädigen, während ein anderer Abschnitt an dem Patienten operiert.

Diese Technik könnte die Anzahl der Instrumente, die für chirurgische Eingriffe benötigt werden, reduzieren, so die Forscher in einer neuen Studie, in der die Technologie detailliert beschrieben wird. Dies bedeutet, dass Ärzte wahrscheinlich weniger Einschnitte bei den Patienten vornehmen müssen, was die Wahrscheinlichkeit postoperativer Komplikationen verringert, fügten sie hinzu.

"Das Potenzial besteht darin, die Durchführung aktueller minimalinvasiver Verfahren für den Operateur einfacher zu machen und Verfahren zu ermöglichen, die mit den heutigen Instrumentenchirurgen minimal-invasiv nicht möglich sind", sagte Tommaso Ranzani, ein Forscher an der Sant'Anna School of Advanced Studies in Italien und Hauptautor der neuen Studie, veröffentlicht gestern (14. Mai) in der Zeitschrift Bioinspiration & Biomimetics.

In der Studie beschrieben die Forscher eine Vorrichtung, die aus zwei identischen Verbindungsmodulen besteht, von denen jedes ein flexibles zentrales Rohr enthält, das mit gemahlenem Kaffee gefüllt ist, der von drei gleichmäßig beabstandeten zylindrischen luftgefüllten Kammern umgeben ist.

Dieser Aufbau wurde in flexibles Silizium eingebettet und in einer Kunststoffhülle umgeben, die einem gewellten Drainagerohr ähnelt. Durch das Aufblasen verschiedener Kombinationen von Kammern in unterschiedlichem Ausmaß konnte sich der Arm in jede Richtung bewegen.

Luft kann auch aus dem zentralen Kern jedes Moduls herausgesaugt werden, wodurch sie versteift wird, dank eines Prozesses, der als körniges Verklemmen bezeichnet wird, wodurch flüssige Materialien, wie gemahlener Kaffee, mit zunehmender Dichte steif werden.

Dies sind nicht die gleichen Mechanismen, die von einem Oktopus verwendet werden, aber es war die Kombination von Fähigkeiten, die die Forscher inspiriert haben, sagte Ranzani.

"Der Tintenfischkörper hat keine starren Strukturen und kann so die Form seines Körpers an seine Umgebung anpassen", sagte er. "Der Oktopus kann die Steifigkeit seiner Arme und seines Körpers variieren, und dies verleiht den Armen die einzigartige Fähigkeit," Skelett "-Strukturen zu bilden, die sowohl der Bewegungserzeugung als auch der dynamischen Rekonfiguration der Form der Arme dienen."

In ihrer Studie zeigten die Forscher, dass sich der Arm in Winkeln von bis zu 255 Grad biegen und bis zu 62 Prozent seiner ursprünglichen Länge dehnen kann, während die Steifigkeit um bis zu 200 Prozent erhöht wird.

Die Forscher simulierten auch chirurgische Operationen und demonstrierten erfolgreich die Fähigkeit des Arms, wassergefüllte Ballons zu manipulieren, die zur Darstellung von Organen verwendet wurden.

Während flexible chirurgische Robotik heutzutage relativ häufig ist, sagte Ranzani, dass der neue Roboterarm wegen seiner weichen Materialien und wegen seiner Fähigkeit, mehrere Aufgaben während einer Operation auszuführen, heraussticht.

"Es wird in der Lage sein, mehrere Aufgaben mit demselben Instrument auszuführen, wie zum Beispiel das Anheben eines Organs, um das Ziel mit einem Teil des Arms freizulegen und dann eine Operation an dem nun zugänglichen chirurgischen Ziel durchzuführen", sagte er.

Die Technologie hinter dem Gerät ist nicht neu, aber seine potenzielle Anwendung für minimal-invasive Chirurgie ist sowohl neu als auch vielversprechend, sagte Kai Xu, ein Experte für medizinische Robotik und Assistenzprofessor am Joint-Institut UM-SJTU der Shanghai Jiao Tong University.

Aber das Gerät wird wahrscheinlich verfeinert werden müssen, bevor es weit für reale Operationen verwendet werden kann, sagte Xu.

"Der in dieser Arbeit vorgestellte Prototyp ist immer noch relativ groß", sagte Xu. "Es wird sehr schwierig sein, das Design zu miniaturisieren, während die Nutzlast- und Bewegungsfähigkeiten auf dem gewünschten Niveau gehalten werden, wobei die Sterilisierbarkeit und andere Aspekte bezüglich der tatsächlichen medizinischen Praktiken bei der Verwendung dieses Geräts nicht erwähnt werden."

Um sicherzustellen, dass das Gerät für Ärzte nützlich ist, arbeiten Ranzani und seine Kollegen mit chirurgischen Experten der Universität von Turin in Italien zusammen und er sagte, dass die zukünftige Arbeit sich auf die Bestimmung der optimalen Anzahl von Modulen für den Arm und eine zuverlässige und intuitive Kontrolle konzentrieren wird System.

"Wir glauben, dass dieses System der Start für neue und verbesserte Versionen mit erweiterten Funktionen sein wird", sagte Ranzani. "Suckers werden etwas sein, in das wir gerne schauen würden!"

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