1. Введение
Концентрические трубчатые роботы (КТР) — это гибкие манипуляторы размером с иглу, состоящие из предварительно изогнутых, телескопически вложенных трубок. Их способность независимо перемещаться и вращаться, в сочетании с упругими взаимодействиями, обеспечивает щупальцеобразные изгибающие движения, идеально подходящие для малоинвазивных хирургических (МИХ) применений. Традиционно изготавливаемые из суперэластичного нитинола, КТР сталкиваются с производственными трудностями из-за сложности термообработки, необходимой для достижения заданной кривизны. В данном исследовании изучается возможность использования аддитивного производства методом многоструйного сплавления (MJF) с полимером Nylon-12 в качестве альтернативы нитинолу, с целью упрощения и ускорения прототипирования КТР.
2. Материалы и методы
Методология исследования включала определение характеристик напечатанного на MJF Nylon-12 и тестирование его производительности в сценариях, релевантных для КТР.
2.1 Технология многоструйного сплавления (MJF)
MJF, разработанная компанией Hewlett-Packard, — это процесс сплавления в порошковом слое. Она наносит слои порошкового материала (Nylon-12), использует инфракрасную энергию для нагрева и применяет химические агенты (агенты сплавления и детализации) для обеспечения точного термического сплавления. По сравнению с селективным лазерным спеканием (SLS), MJF обеспечивает более высокую точность размеров, более высокое разрешение и возможность создания более тонких стенок — ключевые преимущества для изготовления небольших сложных трубок КТР. Изготовление было передано на аутсорсинг компании Proto Labs.
2.2 Определение характеристик напряжение-деформация
Испытания на растяжение проводились в соответствии со стандартом ASTM D638 на образцах типа «dog-bone» на универсальной испытательной машине Instron 5500R. Целью было определение линейного диапазона упругости материала и модуля Юнга ($E$), которые являются важнейшими параметрами для моделирования механики и прогнозирования поведения КТР.
2.3 Испытание на усталость
Для оценки долговечности при повторяющемся изгибе — ключевом требовании для хирургических роботов — было проведено испытание на усталость. Одна трубка из Nylon-12 (наружный диаметр: 3,2 мм, толщина стенки: 0,6 мм, радиус кривизны: 28,26 мм) циклически выпрямлялась внутри полого вала, а затем возвращалась в изогнутое состояние. Этот цикл был автоматизирован и повторен 200 раз, с визуальной фиксацией каждые 10 циклов для контроля появления трещин или разрушения.
2.4 Проверка изгиба в плоскости
Был разработан эксперимент для проверки применимости установленной модели механики для концентрических трубок, предложенной Уэбстером и др., к трубкам из Nylon-12, напечатанным на MJF. Эта модель предсказывает равновесную кривизну двух концентрически совмещенных трубок на основе их индивидуальных предварительных кривизн и жесткостей на изгиб.
3. Результаты и обсуждение
Ключевые экспериментальные результаты
- Свойства материала: Испытание на растяжение позволило определить модуль Юнга для MJF Nylon-12, что является важным входным параметром для модели механики КТР.
- Усталостные характеристики: Трубка из Nylon-12 выдержала 200 циклов выпрямления и возврата без видимых повреждений или разрушения, что является значительным улучшением по сравнению с ранее изготовленными методом SLS трубками, отмеченными за хрупкость.
- Валидация модели: Предварительные результаты показали, что модель изгиба в плоскости может быть применена к трубкам из MJF Nylon-12, что указывает на предсказуемое механическое поведение.
Исследование демонстрирует, что MJF преодолевает ключевые ограничения SLS для данного применения, в основном связанные с разрешением и толщиной стенки. Успешное испытание на усталость является ключевым результатом, устраняющим главный недостаток полимерных КТР. Однако в статье подразумевается, что необходимо дальнейшее количественное сравнение усилий изгиба, гистерезиса и долгосрочной циклической производительности (>1000 циклов) с эталонными показателями нитинола.
4. Технические детали и математическая модель
Основная механика КТР определяется упругим взаимодействием между трубками. Для двух трубок, совмещенных для изгиба в одной плоскости, равновесная кривизна ($\kappa$) задается формулой:
$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + E_2 I_2 \kappa_2}{E_1 I_1 + E_2 I_2}$
Где:
- $E_i$ — модуль Юнга трубки $i$ (полученный из испытания на растяжение для Nylon-12).
- $I_i$ — момент инерции поперечного сечения трубки $i$.
- $\kappa_i$ — предварительная кривизна трубки $i$.
5. Структура анализа: Пример без кода
Сценарий: Исследовательская лаборатория стремится разработать персонализированный КТР для деликатной нейрохирургической процедуры. Требуемая траектория кончика имеет сложную, многоизогнутую форму.
Применение структуры:
- Проектирование и моделирование: С использованием медицинской визуализации (например, МРТ) моделируется желаемый путь. Предварительные кривизны трубок рассчитываются с использованием обратной кинематики на основе модели механики ($\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + ...}{...}$). Модель запускается со свойствами материала MJF Nylon-12 ($E$).
- Изготовление: Спроектированные трубки печатаются на 3D-принтере с использованием технологии MJF, используя её точность для тонких стенок и сложных кривых.
- Проверка: Напечатанные трубки проходят описанное испытание на усталость (200+ циклов) и тест на усилие изгиба в сравнении с предсказаниями модели.
- Итерация: Расхождения между моделированием и физическими испытаниями возвращаются в модель для калибровки свойств материала или параметров проектирования следующего прототипа.
6. Будущие применения и направления
- Персонализированные хирургические роботы: Возможность быстрого прототипирования с помощью MJF может позволить создавать КТР, адаптированные к анатомии конкретного пациента, непосредственно на основе КТ/МРТ-снимков, потенциально улучшая результаты операций.
- Одноразовые инструменты: Экономичная полимерная печать открывает путь к стерильным, одноразовым КТР, устраняя затраты на повторную обработку и риски перекрестного загрязнения.
- Многокомпонентная и функциональная печать: Будущие системы MJF могут включать несколько материалов (например, более жесткие сегменты, рентгеноконтрастные маркеры) или даже встраивать датчики или каналы для ирригации/аспирации в стенки трубок в процессе печати.
- Интеграция с ИИ-проектированием: Сочетание генеративных алгоритмов проектирования с MJF может оптимизировать структуру трубок по весу, жесткости и точности следования по траектории, выходя за рамки традиционных геометрий.
7. Список литературы
- Gilbert, H. B., et al. (2016). Concentric Tube Robots: The State of the Art and Future Directions. Robotics Research, 293-308.
- Предыдущие работы по SLS из Nylon-12 для КТР (как указано в PDF).
- Литература по проблемам термообработки нитинола для КТР (как указано в PDF).
- HP Inc. (2023). HP Multi Jet Fusion Technology Overview. Получено с [Официальный сайт HP].
- Webster, R. J., & Jones, B. A. (2010). Design and Kinematic Modeling of Constant Curvature Continuum Robots: A Review. The International Journal of Robotics Research, 29(13), 1661-1683.
- ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.
8. Авторский анализ: Ключевая идея и критика
Ключевая идея: Эта статья не просто о замене металла на пластик; это стратегический переход от кустарного производства к цифровому производству в хирургической робототехнике. Реальная ценность КТР из MJF-печатного Nylon-12 заключается не в том, чтобы соответствовать суперэластичности нитинола — это невозможно, — а в демократизации доступа и обеспечении быстрой итерации сложных геометрий. Это преобразует разработку КТР из узкоспециализированной, требующей глубоких знаний в материаловедении, деятельности в более доступную, управляемую программным обеспечением для проектирования.
Логика и сильные стороны: Подход авторов методичен. Они правильно определяют узкое место (термообработка нитинола) и выбирают процесс аддитивного производства (MJF), чьи заявленные преимущества (разрешение, тонкие стенки) напрямую решают проблемы изготовления КТР. Испытание на усталость — это мастерский ход — оно напрямую атакует наиболее обоснованную критику (хрупкость полимера) предыдущих работ, таких как неудачные попытки с SLS. Показав выживаемость в течение 200 циклов, они предоставляют убедительный, основанный на доказательствах контраргумент. Связь с фундаментальной моделью Уэбстера обеспечивает академическую достоверность и четкий путь для количественного анализа.
Недостатки и критические пробелы: Анализ, хотя и многообещающий, кажется успешным первым актом. Явное упущение — это прямое, количественное сравнение с нитинолом. Каковы потери на гистерезис за цикл? Как деградирует восстанавливающая сила со временем? Без этого эталона заявление об «осуществимости» для хирургии преждевременно. Хирургия — это не 200 циклов; это предсказуемая, надежная передача усилий в течение всей процедуры. Более того, фокус на изгибе в плоскости обходит более сложную и клинически значимую проблему кручения и комбинированной нагрузки, известную трудность для полимерных трубок. Работа, как представлено, скорее подтверждает производственную предпосылку, но лишь частично затрагивает предпосылку клинической эффективности.
Практические выводы: Для исследователей: это плодотворная отправная точка. Следующий немедленный шаг — прямое механическое сравнение с нитиновыми трубками аналогичных размеров. Для индустрии (например, Proto Labs или стартапов в области хирургических устройств): Аргументы в пользу одноразовых, персонализированных управляемых канюль сильнее, чем в пользу многоразовых полноценных роботов. Сначала сосредоточьте разработку здесь. Инвестируйте в определение долгосрочных вязкоупругих свойств MJF Nylon-12. Для клиницистов: Следите за этой областью. Эта технология может через 5-7 лет обеспечить более дешевые, оптимизированные под процедуру инструменты, но требуйте надежных данных о долговечности перед внедрением. Смена парадигмы от «один робот для многих процедур» к «один оптимизированный инструмент для одной процедуры» — это конечная цель, которую это исследование делает возможной.