3डी-प्रिंटेड संकेंद्रित ट्यूब रोबोट्स के लिए नायलॉन-12 का मल्टी जेट फ्यूजन: एक व्यावहारिकता अध्ययन

1. परिचय

संकेंद्रित ट्यूब रोबोट (सीटीआर) सुई के आकार के, लचीले मैनिपुलेटर होते हैं जो पूर्व-वक्रित, दूरबीन की तरह नेस्टेड ट्यूबों से बने होते हैं। उनकी स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित और घूमने की क्षमता, साथ ही प्रत्यास्थ अंतःक्रियाएँ, न्यूनतम इनवेसिव सर्जिकल (एमआईएस) अनुप्रयोगों के लिए आदर्श टेंटकल-जैसी बंकन गतियों को सक्षम करती हैं। परंपरागत रूप से सुपरएलास्टिक नाइटिनॉल से निर्मित, सीटीआर को निर्धारित वक्रता प्राप्त करने के लिए आवश्यक एनीलिंग उपचारों की जटिलता के कारण निर्माण संबंधी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। यह अध्ययन नाइटिनॉल के विकल्प के रूप में नायलॉन-12 पॉलिमर के साथ मल्टी जेट फ्यूजन (एमजेएफ) योगात्मक निर्माण का उपयोग करने की व्यवहार्यता का पता लगाता है, जिसका लक्ष्य सीटीआर के प्रोटोटाइपिंग को सरल और तेज़ करना है।

2. सामग्री और विधियाँ

अनुसंधान पद्धति में एमजेएफ-प्रिंटेड नायलॉन-12 की विशेषताओं का अभिलक्षण और सीटीआर-संबंधित परिदृश्यों में इसके प्रदर्शन का परीक्षण शामिल था।

3. परिणाम और चर्चा

अध्ययन दर्शाता है कि एमजेएफ इस अनुप्रयोग के लिए एसएलएस की प्रमुख सीमाओं को दूर करता है, मुख्य रूप से रिज़ॉल्यूशन और दीवार की मोटाई से संबंधित। सफल थकान परीक्षण एक निर्णायक परिणाम है, जो पॉलिमर-आधारित सीटीआर की एक प्रमुख कमजोरी को संबोधित करता है। हालाँकि, पेपर यह संकेत देता है कि नाइटिनॉल बेंचमार्क के विरुद्ध बंकन बलों, हिस्टैरिसीस और दीर्घकालिक चक्रीय प्रदर्शन (>1000 चक्र) की आगे मात्रात्मक तुलना आवश्यक है।

4. तकनीकी विवरण और गणितीय मॉडल

सीटीआर की मूल यांत्रिकी ट्यूबों के बीच प्रत्यास्थ अंतःक्रिया द्वारा नियंत्रित होती है। एक ही समतल में मुड़ने के लिए संरेखित दो ट्यूबों के लिए, संतुलन वक्रता ($\kappa$) इस प्रकार दी जाती है:

$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + E_2 I_2 \kappa_2}{E_1 I_1 + E_2 I_2}$

जहाँ:

• $E_i$ ट्यूब $i$ का यंग मापांक है (नायलॉन-12 के लिए तन्यता परीक्षण से प्राप्त)।
• $I_i$ ट्यूब $i$ के क्रॉस-सेक्शन का क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण है।
• $\kappa_i$ ट्यूब $i$ की पूर्व-वक्रता है।

5. विश्लेषण ढांचा: एक गैर-कोड केस स्टडी

परिदृश्य: एक अनुसंधान प्रयोगशाला एक नाजुक न्यूरोसर्जिकल प्रक्रिया के लिए रोगी-विशिष्ट सीटीआर विकसित करना चाहती है। आवश्यक टिप पथ में एक जटिल, बहु-वक्र आकार है।

ढांचा अनुप्रयोग:

1. डिज़ाइन और सिमुलेशन: चिकित्सा इमेजिंग (जैसे, एमआरआई) का उपयोग करके, वांछित पथ को मॉडल किया जाता है। ट्यूब पूर्व-वक्रताओं की गणना यांत्रिकी मॉडल ($\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + ...}{...}$) के आधार पर व्युत्क्रम किनेमेटिक्स का उपयोग करके की जाती है। मॉडल को एमजेएफ नायलॉन-12 के सामग्री गुणों ($E$) के साथ चलाया जाता है।
2. निर्माण: डिज़ाइन की गई ट्यूबों को एमजेएफ प्रौद्योगिकी का उपयोग करके 3डी-प्रिंट किया जाता है, जिसमें पतली दीवारों और जटिल वक्रों के लिए इसकी सटीकता का लाभ उठाया जाता है।
3. सत्यापन: प्रिंटेड ट्यूब वर्णित थकान परीक्षण (200+ चक्र) और मॉडल की भविष्यवाणी के विरुद्ध एक बंकन बल परीक्षण से गुजरते हैं।
4. पुनरावृत्ति: सिमुलेशन और भौतिक परीक्षणों के बीच विसंगतियाँ अगले प्रोटोटाइप के लिए सामग्री गुणों या डिज़ाइन पैरामीटर को कैलिब्रेट करने के लिए मॉडल में वापस फीड करती हैं।

6. भविष्य के अनुप्रयोग और दिशाएँ

• रोगी-विशिष्ट सर्जिकल रोबोट: एमजेएफ की त्वरित प्रोटोटाइपिंग क्षमता व्यक्तिगत रोगी शरीर रचना के अनुरूप सीटीआर को सक्षम कर सकती है, जो सीधे सीटी/एमआरआई स्कैन से प्राप्त होती है, संभावित रूप से सर्जिकल परिणामों में सुधार करती है।
• डिस्पोजेबल/एकल-उपयोग उपकरण: लागत-प्रभावी पॉलिमर प्रिंटिंग बाँझ, एकल-उपयोग सीटीआर के द्वार खोलती है, जिससे पुनर्प्रसंस्करण लागत और क्रॉस-संदूषण के जोखिम समाप्त हो जाते हैं।
• बहु-सामग्री और कार्यात्मक प्रिंटिंग: भविष्य की एमजेएफ प्रणालियाँ कई सामग्रियों (जैसे, अधिक कठोर खंड, रेडियोओपेक मार्कर) को शामिल कर सकती हैं या प्रिंटिंग के दौरान ट्यूब की दीवारों के भीतर सिंचाई/सक्शन के लिए सेंसर या चैनलों को भी एम्बेड कर सकती हैं।
• एआई-संचालित डिज़ाइन के साथ एकीकरण: जेनरेटिव डिज़ाइन एल्गोरिदम को एमजेएफ के साथ जोड़ने से वजन, कठोरता और पथ-अनुसरण सटीकता के लिए ट्यूब संरचनाओं को पारंपरिक ज्यामिति से परे अनुकूलित किया जा सकता है।

7. संदर्भ

1. गिल्बर्ट, एच. बी., एट अल. (2016). Concentric Tube Robots: The State of the Art and Future Directions. Robotics Research, 293-308.
2. सीटीआर के लिए नायलॉन-12 के एसएलएस पर पूर्व कार्य (पीडीएफ में उद्धृत के रूप में)।
3. सीटीआर के लिए नाइटिनॉल एनीलिंग की चुनौतियों पर संदर्भ (पीडीएफ में उद्धृत के रूप में)।
4. एचपी इंक. (2023). HP Multi Jet Fusion Technology Overview. [एचपी आधिकारिक वेबसाइट] से प्राप्त।
5. वेबस्टर, आर. जे., और जोन्स, बी. ए. (2010). Design and Kinematic Modeling of Constant Curvature Continuum Robots: A Review. The International Journal of Robotics Research, 29(13), 1661-1683.
6. एएसटीएम इंटरनेशनल. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.

8. मूल विश्लेषण: मुख्य अंतर्दृष्टि और आलोचना

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह पेपर केवल धातु को प्लास्टिक से बदलने के बारे में नहीं है; यह सर्जिकल रोबोटिक्स में शिल्पकारिता से डिजिटल फैब्रिकेशन की ओर एक रणनीतिक मोड़ है। एमजेएफ-प्रिंटेड नायलॉन-12 सीटीआर का वास्तविक मूल्य प्रस्ताव नाइटिनॉल की सुपरएलास्टिसिटी से मेल खाने में नहीं है—यह नहीं होगा—बल्कि पहुँच को लोकतांत्रिक बनाने और त्वरित, जटिल ज्यामिति पुनरावृत्ति को सक्षम करने में है। यह सीटीआर विकास को एक विशिष्ट, सामग्री-विज्ञान-प्रधान प्रयास से एक अधिक सुलभ, डिज़ाइन-सॉफ़्टवेयर-संचालित प्रयास में बदल देता है।

तार्किक प्रवाह और शक्तियाँ: लेखकों का दृष्टिकोण व्यवस्थित है। वे सही ढंग से बाधा (नाइटिनॉल एनीलिंग) की पहचान करते हैं और एक एएम प्रक्रिया (एमजेएफ) का चयन करते हैं जिसकी प्रचारित शक्तियाँ (रिज़ॉल्यूशन, पतली दीवारें) सीधे सीटीआर निर्माण की समस्याओं का समाधान करती हैं। थकान परीक्षण मास्टरस्ट्रोक है—यह सीधे पूर्व कार्य (जैसे विफल एसएलएस प्रयासों) की सबसे विश्वसनीय आलोचना (पॉलिमर भंगुरता) पर हमला करता है। 200-चक्र उत्तरजीविता दिखाकर, वे एक सम्मोहक, साक्ष्य-आधारित प्रतिवाद प्रदान करते हैं। वेबस्टर के मौलिक मॉडल से जुड़कर शैक्षणिक विश्वसनीयता और मात्रात्मक विश्लेषण के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।

दोष और गंभीर अंतराल: विश्लेषण, हालाँकि आशाजनक है, एक सफल पहला अंक जैसा लगता है। स्पष्ट चूक नाइटिनॉल से सीधी, मात्रात्मक तुलना है। प्रति चक्र हिस्टैरिसीस हानि क्या है? समय के साथ पुनर्स्थापन बल कैसे कम होता है? इस बेंचमार्क के बिना, सर्जरी के लिए "व्यावहारिकता" का दावा समय से पहले है। सर्जरी 200 चक्र नहीं है; यह एक प्रक्रिया के जीवनकाल में पूर्वानुमेय, विश्वसनीय बल संचरण के बारे में है। इसके अलावा, समतल बंकन पर ध्यान मरोड़ और संयुक्त लोडिंग की अधिक जटिल और नैदानिक रूप से प्रासंगिक चुनौती से बचता है, जो पॉलिमर ट्यूबों के लिए एक ज्ञात कठिनाई है। प्रस्तुत कार्य, ऐसा लगता है कि यह निर्माण आधार को मान्य करता है लेकिन नैदानिक प्रदर्शन आधार को केवल आंशिक रूप से संबोधित करता है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टियाँ: शोधकर्ताओं के लिए: यह एक उपजाऊ प्रारंभिक बिंदु है। तत्काल अगला कदम समान आयामों के नाइटिनॉल ट्यूबों के विरुद्ध सीधे यांत्रिक बेंचमार्किंग होना चाहिए। उद्योग (जैसे प्रोटो लैब्स या सर्जिकल डिवाइस स्टार्टअप्स) के लिए: डिस्पोजेबल, रोगी-विशिष्ट स्टीयरेबल कैन्यूला का मामला पुन: प्रयोज्य पूर्ण-पैमाने के रोबोट्स की तुलना में मजबूत है। पहले यहाँ विकास पर ध्यान केंद्रित करें। एमजेएफ नायलॉन-12 के दीर्घकालिक श्यान-प्रत्यास्थ गुणों के अभिलक्षण में निवेश करें। चिकित्सकों के लिए: इस क्षेत्र पर नजर रखें। यह प्रौद्योगिकी 5-7 वर्षों में सस्ते, प्रक्रिया-अनुकूलित उपकरण प्रदान कर सकती है, लेकिन अपनाने से पहले मजबूत विश्वसनीयता डेटा की मांग करें। "कई प्रक्रियाओं के लिए एक रोबोट" से "एक प्रक्रिया के लिए एक अनुकूलित उपकरण" की ओर प्रतिमान बदलाव अंतिम अंतिम लक्ष्य है जिसे यह शोध सक्षम बनाता है।