1. Giriş
Konsantrik Tüp Robotlar (KTR'ler), önceden kavisli, teleskopik olarak iç içe geçmiş tüplerden oluşan iğne boyutunda, esnek manipülatörlerdir. Bağımsız olarak öteleme ve dönme yetenekleri, elastik etkileşimlerle birleştiğinde, minimal invaziv cerrahi (MIC) uygulamaları için ideal olan dokunaç benzeri bükülme hareketlerini mümkün kılar. Geleneksel olarak süperelastik Nitinol'dan üretilen KTR'ler, belirlenmiş eğrilikleri elde etmek için gereken tavlama işlemlerinin karmaşıklığı nedeniyle üretim zorluklarıyla karşı karşıyadır. Bu çalışma, Nitinol'a bir alternatif olarak Çoklu Jet Füzyonu (MJF) katmanlı imalatını Nylon-12 polimeri ile kullanmanın uygulanabilirliğini araştırmakta ve KTR prototiplerinin geliştirilmesini basitleştirmeyi ve hızlandırmayı amaçlamaktadır.
2. Malzemeler ve Yöntemler
Araştırma metodolojisi, MJF ile basılmış Nylon-12'nin karakterizasyonunu ve KTR ile ilgili senaryolardaki performansının test edilmesini içermiştir.
2.1 Çoklu Jet Füzyonu (MJF) Teknolojisi
Hewlett-Packard tarafından geliştirilen MJF, bir toz yatağı füzyon sürecidir. Malzeme tozunu (Nylon-12) katmanlar halinde serer, ısıtma için kızılötesi enerji kullanır ve hassas termal füzyonu kolaylaştırmak için kimyasal ajanlar (füzyon ve detaylandırma ajanları) kullanır. Seçici Lazer Sinterleme (SLS) ile karşılaştırıldığında, MJF daha yüksek boyutsal doğruluk, daha ince çözünürlük ve daha ince duvar yapıları oluşturma yeteneği sunar—bu, bir KTR'nin küçük, karmaşık tüplerini üretmek için kritik avantajlardır. Üretim, Proto Labs firmasına yaptırılmıştır.
2.2 Gerilme-Birim Şekil Değiştirme Karakterizasyonu
Çekme testleri, ASTM D638 standardına göre, bir Instron 5500R Evrensel Test Makinesi üzerinde "kemik" numuneler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Amaç, KTR'lerin mekaniğini modellemek ve davranışını tahmin etmek için temel parametreler olan malzemenin lineer elastik aralığını ve Young Modülünü ($E$) belirlemekti.
2.3 Yorulma Testi
Cerrahi robotlar için temel bir gereklilik olan tekrarlı bükülme altındaki dayanıklılığı değerlendirmek için bir yorulma testi yapılmıştır. Tek bir Nylon-12 tüpü (Dış Çap: 3.2 mm, duvar kalınlığı: 0.6 mm, eğrilik yarıçapı: 28.26 mm), içi boş bir şaft içinde döngüsel olarak düzleştirilmiş ve ardından kavisli haline geri bırakılmıştır. Bu döngü otomatikleştirilmiş ve 200 kez tekrarlanmış, çatlak veya arızayı izlemek için her 10 döngüde bir görsel belgeleme yapılmıştır.
2.4 Düzlem İçi Bükülme Doğrulaması
Webster ve arkadaşları tarafından önerilen, konsantrik tüpler için oluşturulmuş mekanik modelin MJF ile basılmış Nylon-12 tüplere uygulanabilir olup olmadığını doğrulamak için bir deney tasarlanmıştır. Bu model, iki konsantrik olarak hizalanmış tüpün denge eğriliğini ($\kappa$), bireysel ön eğrilikleri ve bükülme rijitliklerine dayanarak tahmin eder.
3. Sonuçlar ve Tartışma
Temel Deneysel Bulgular
- Malzeme Özellikleri: Çekme testi, KTR mekanik modeli için kritik bir girdi olan MJF Nylon-12'nin Young Modülünü sağlamıştır.
- Yorulma Performansı: Nylon-12 tüpü, düzleştirme ve serbest bırakmanın 200 döngüsünü görünür hasar veya arıza olmadan dayanmıştır; bu, gevreklikleriyle bilinen önceki SLS ile üretilmiş tüplere göre önemli bir iyileşmedir.
- Model Doğrulaması: Ön sonuçlar, düzlem içi bükülme modelinin MJF Nylon-12 tüplerine uygulanabileceğini, yani öngörülebilir mekanik davranışa işaret ettiğini göstermiştir.
Çalışma, MJF'nin bu uygulama için SLS'in temel sınırlamalarını—özellikle çözünürlük ve duvar kalınlığı ile ilgili olanları—aştığını göstermektedir. Başarılı yorulma testi, polimer tabanlı KTR'lerin büyük bir zayıflığını ele alan çarpıcı bir sonuçtur. Ancak, makale, bükülme kuvvetleri, histerezis ve uzun vadeli döngüsel performansın (>1000 döngü) Nitinol kıyaslarıyla daha ileri nicel karşılaştırmasının gerekli olduğunu ima etmektedir.
4. Teknik Detaylar ve Matematiksel Model
Bir KTR'nin temel mekaniği, tüpler arasındaki elastik etkileşimle yönetilir. Aynı düzlemde bükülmek üzere hizalanmış iki tüp için denge eğriliği ($\kappa$) şu şekilde verilir:
$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + E_2 I_2 \kappa_2}{E_1 I_1 + E_2 I_2}$
Burada:
- $E_i$, $i$ tüpünün Young Modülüdür (Nylon-12 için çekme testinden elde edilir).
- $I_i$, $i$ tüpünün kesit alanının ikinci momentidir.
- $\kappa_i$, $i$ tüpünün ön eğriliğidir.
5. Analiz Çerçevesi: Kod İçermeyen Bir Vaka Çalışması
Senaryo: Bir araştırma laboratuvarı, hassas bir nöroşirürjik prosedür için hasta-özel bir KTR geliştirmeyi amaçlamaktadır. Gerekli uç yolu karmaşık, çoklu eğrili bir şekle sahiptir.
Çerçeve Uygulaması:
- Tasarım & Simülasyon: Tıbbi görüntüleme (örn., MRI) kullanılarak istenen yol modellenir. Tüp ön eğrilikleri, mekanik model ($\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + ...}{...}$) temel alınarak ters kinematik kullanılarak hesaplanır. Model, MJF Nylon-12'nin malzeme özellikleri ($E$) ile çalıştırılır.
- Üretim: Tasarlanan tüpler, ince duvarlar ve karmaşık eğriler için hassasiyetinden yararlanılarak MJF teknolojisi kullanılarak 3B basılır.
- Doğrulama: Basılan tüpler, tanımlanan yorulma testinden (200+ döngü) ve modelin tahminine karşı bir bükülme kuvveti testinden geçirilir.
- Yineleme: Simülasyon ile fiziksel testler arasındaki farklılıklar, bir sonraki prototip için malzeme özelliklerini veya tasarım parametrelerini kalibre etmek üzere modele geri beslenir.
6. Gelecekteki Uygulamalar ve Yönelimler
- Hasta-Özel Cerrahi Robotlar: MJF'nin hızlı prototipleme yeteneği, doğrudan BT/MRI taramalarından türetilen, bireysel hasta anatomisine uyarlanmış KTR'leri mümkün kılabilir ve potansiyel olarak cerrahi sonuçları iyileştirebilir.
- Tek Kullanımlık Enstrümanlar: Maliyet-etkin polimer baskı, steril, tek kullanımlık KTR'lerin kapısını aralar, yeniden işleme maliyetlerini ve çapraz bulaşma risklerini ortadan kaldırır.
- Çoklu Malzeme ve Fonksiyonel Baskı: Gelecekteki MJF sistemleri, birden fazla malzemeyi (örn., daha rijit segmentler, radyoopak işaretleyiciler) dahil edebilir veya hatta baskı sırasında tüp duvarları içine sulama/aspirasyon için sensörler veya kanallar gömebilir.
- Yapay Zeka Destekli Tasarımla Entegrasyon: Üretken tasarım algoritmalarını MJF ile birleştirmek, tüp yapılarını geleneksel geometrilerin ötesinde ağırlık, rijitlik ve yol takip doğruluğu için optimize edebilir.
7. Kaynaklar
- Gilbert, H. B., ve diğ. (2016). Concentric Tube Robots: The State of the Art and Future Directions. Robotics Research, 293-308.
- KTR'ler için Nylon-12 ile SLS üzerine önceki çalışma (PDF'de atıf yapıldığı gibi).
- KTR'ler için Nitinol tavlama zorlukları üzerine kaynaklar (PDF'de atıf yapıldığı gibi).
- HP Inc. (2023). HP Multi Jet Fusion Technology Overview. [HP Resmi Web Sitesi]'nden alındı.
- 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. Özgün Analiz: Temel İçgörü ve Eleştiri
Temel İçgörü: Bu makale sadece metali plastikle değiştirmekle ilgili değildir; cerrahi robotikte zanaatkarlıktan dijital üretime stratejik bir dönüşümdür. MJF ile basılmış Nylon-12 KTR'lerin gerçek değer önerisi, Nitinol'un süperelastikliğini yakalamakta değildir—yakalayamaz—ancak erişimi demokratikleştirmekte ve hızlı, karmaşık geometri yinelemesini mümkün kılmaktadır. KTR geliştirmeyi, niş, malzeme bilimi ağırlıklı bir çabadan, daha erişilebilir, tasarım-yazılımı odaklı bir çabaya dönüştürmektedir.
Mantıksal Akış ve Güçlü Yönler: Yazarların yaklaşımı metodiktir. Darboğazı (Nitinol tavlama) doğru bir şekilde tanımlarlar ve reklam edilen güçlü yönleri (çözünürlük, ince duvarlar) doğrudan KTR üretim zorluklarına hitap eden bir KM sürecini (MJF) seçerler. Yorulma testi ustaca bir hamledir—başarısız SLS denemeleri gibi önceki çalışmaların en inandırıcı eleştirisine (polimer gevreklik) doğrudan saldırır. 200 döngü hayatta kalma göstererek, ikna edici, kanıta dayalı bir karşı argüman sunarlar. Webster'ın temel modeline geri bağlanmak, akademik güvenilirlik ve nicel analiz için net bir yol sağlar.
Kusurlar ve Kritik Boşluklar: Analiz, umut verici olsa da, başarılı bir ilk perde gibi hissettirmektedir. Göze çarpan eksiklik, Nitinol ile doğrudan, nicel bir karşılaştırmadır. Döngü başına histerezis kaybı nedir? Geri getirme kuvveti zamanla nasıl bozulur? Bu kıyas noktası olmadan, cerrahi için "uygulanabilirlik" iddiası erken olur. Cerrahi 200 döngü değildir; bir prosedürün ömrü boyunca öngörülebilir, güvenilir kuvvet iletimi ile ilgilidir. Ayrıca, düzlem içi bükülmeye odaklanmak, polimer tüpler için bilinen bir zorluk olan burulma ve birleşik yükleme gibi daha karmaşık ve klinik olarak ilgili zorluğu atlamaktadır. Sunulduğu haliyle çalışma, üretim önermesini doğruluyor gibi görünmekte ancak klinik performans önermesini yalnızca kısmen ele almaktadır.
Harekete Geçirilebilir İçgörüler: Araştırmacılar için: Bu verimli bir başlangıç noktasıdır. Acil bir sonraki adım, benzer boyutlardaki Nitinol tüplere karşı kafa kafaya mekanik kıyaslama olmalıdır. Endüstri için (Proto Labs veya cerrahi cihaz girişimleri gibi): Tek kullanımlık, hasta-özel yönlendirilebilir kanüller için durum, yeniden kullanılabilir tam ölçekli robotlardan daha güçlüdür. Önce geliştirmeyi buraya odaklayın. MJF Nylon-12'nin uzun vadeli viskoelastik özelliklerini karakterize etmeye yatırım yapın. Klinisyenler için: Bu alanı izleyin. Bu teknoloji, 5-7 yıl içinde daha ucuz, prosedür-optimize araçlar sunabilir, ancak benimsemeden önce sağlam güvenilirlik verileri talep edin. "Birçok prosedür için bir robot" paradigmasından "bir prosedür için bir optimize edilmiş araç" paradigmasına kayma, bu araştırmanın mümkün kıldığı nihai hedeftir.