Журналов:     Статей:        

Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. 2015; : 1-11

Медицинские роботы с перистальтическим принципом движения

Гаврюшин С. С., Даниленко К. Б.

Аннотация

Среди многочисленных микророботов, применяемых в медицине, можно выделить обширный класс роботов, использующий перистальтический принцип движения. Идея этого принципа позаимствована у самой природы и проверена тысячелетиями эволюции. Множество животных, в частности разнообразные черви, используют его для передвижения как в почве, так и по поверхности. Кроме того, некоторые трубчатые органы животных, в том числе человека, такие как гортань, пищевод, кишечник, мочеточники и др., также работают по перистальтическому принципу: чередуя сужение и расширение, они способствуют продвижению внутри себя биологического материала. Таким образом, применение столь естественного для живых организмов принципа обеспечивает высокую эффективность медицинских микророботов с перистальтическим принципом движения.Было изучено большое количество подобных роботов. Многие из них могут применяться (и применяются) вне медицины, например, для ремонта трубопроводов и диагностики их повреждений, для спасения людей после землетрясений, для рытья туннелей и скважин, и т. п. Рассматриваются именно те изделия, которые либо уже применяются на живых организмах в тестовом режиме, либо могут быть использованы в медицине после доработки. Изучаются различные конструктивные реализации перистальтического принципа с использованием электро- и серводвигателей, магнитов, металлов с памятью формы и т. д. Наибольшего успеха в данных областях достигли ученые Японии, Китая, Италии, США. Имеются и перспективные отечественные разработки.Рассматриваются наиболее оригинальные и интересные с конструкционной точки зрения микророботы, некоторые из которых могут применяться в клинических условиях. Их использование не ограничивается хирургией (точнее - малоинвазивной хирургией), а включает фармакологическое лечение и разнообразные методы диагностики.Приводятся общие требования к медицинским роботам и ограничения на их применение, перечисляются способы их возможного использования. Особое внимание обращается на обеспечение безопасности пациента во время хирургических операций и лечения с использованием микророботов. Помимо аллергии на некоторые химические вещества, пациентам может угрожать ожоги и поражение током в случае электрического управления, невозможность извлечения робота в случае сбоя и другие опасности. Рассматриваются способы избежания подобных инцидентов.
Список литературы

1. Даниленко К.Б., Гаврюшин С.С. Использование перистальтического принципа движения в робототехнических системах // Нелинейная динамика механических и биологических систем: межвуз. науч. сб. Вып . 2. Саратов : Саратовский ГТУ , 2004. С . 132-144

2. Mangan E.V., Kingsley D.A., Quinn R.D., Chiel H.J. Development of a Peristaltic Endoscope // Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA '02). Vol. 1. IEEE Publ., 2002. P. 347-352. DOI: 10.1109/ROBOT.2002.1013385

3. Saga N., Nakamura T. Elucidation of Propulsive Force of Microrobot Using Magnetic Fluid // Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 91, no. 10. P. 7003-7005. DOI: 10.1063/1.1452197

4. Dario P., Ciarletta P., Menciassi A., Kim B. Modeling and Experimental Validation of the Locomotion of Endoscopic Robots in the Colon // Proc. of the 8th International Symposium on Experimental Robotics - ISER. Springer Berlin Heidelberg, 2003. P. 445-453. DOI: 10.1007/3-540-36268-1_40

5. Sangok Seok, Onal C.D., Kyu-Jin Cho, Wood R.J., Rus D., Sangbae Kim. Meshworm: A Peristaltic Soft Robot With Antagonistic Nickel Titanium Coil Actuators // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2013. Vol. 18, no. 5. P. 1485-1497. DOI: 10.1109/TMECH.2012.2204070

6. Boxerbaum A.S., Shaw K.M., Chiel H.J., Quinn R.D. Continuous wave peristaltic motion in a robot // International Journal of Robotic Research. 2012. Vol. 31, no. 3. P. 302-318. DOI: 10.1177/0278364911432486

7. Nakazato Y., Sonobe Y., Toyama S. Development of an In-pipe Micro Mobile Robot Using Peristalsis Motion // Journal of Mechanical Science and Technology. 2010. Vol. 24, iss. 1. P. 51-54. DOI: 10.1007/s12206-009-1174-x

8. Cotta F., Icardi F., Zurlo G.T., Molfino R.M. Peristaltic Locomotion: Application to a Worm-Like Robot // Climbing and Walking Robots. Proceedings of the 8th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines (CLAWAR 2005) / ed. by M.O. Tokhi, G.S. Virk, M.A. Hossain. Springer Berlin Heidelberg, 2006. P. 501-508. DOI: 10.1007/3-540-26415-9_60

Machines and Plants: Design and Exploiting. 2015; : 1-11

Медицинские роботы с перистальтическим принципом движения

,

Abstract

Среди многочисленных микророботов, применяемых в медицине, можно выделить обширный класс роботов, использующий перистальтический принцип движения. Идея этого принципа позаимствована у самой природы и проверена тысячелетиями эволюции. Множество животных, в частности разнообразные черви, используют его для передвижения как в почве, так и по поверхности. Кроме того, некоторые трубчатые органы животных, в том числе человека, такие как гортань, пищевод, кишечник, мочеточники и др., также работают по перистальтическому принципу: чередуя сужение и расширение, они способствуют продвижению внутри себя биологического материала. Таким образом, применение столь естественного для живых организмов принципа обеспечивает высокую эффективность медицинских микророботов с перистальтическим принципом движения.Было изучено большое количество подобных роботов. Многие из них могут применяться (и применяются) вне медицины, например, для ремонта трубопроводов и диагностики их повреждений, для спасения людей после землетрясений, для рытья туннелей и скважин, и т. п. Рассматриваются именно те изделия, которые либо уже применяются на живых организмах в тестовом режиме, либо могут быть использованы в медицине после доработки. Изучаются различные конструктивные реализации перистальтического принципа с использованием электро- и серводвигателей, магнитов, металлов с памятью формы и т. д. Наибольшего успеха в данных областях достигли ученые Японии, Китая, Италии, США. Имеются и перспективные отечественные разработки.Рассматриваются наиболее оригинальные и интересные с конструкционной точки зрения микророботы, некоторые из которых могут применяться в клинических условиях. Их использование не ограничивается хирургией (точнее - малоинвазивной хирургией), а включает фармакологическое лечение и разнообразные методы диагностики.Приводятся общие требования к медицинским роботам и ограничения на их применение, перечисляются способы их возможного использования. Особое внимание обращается на обеспечение безопасности пациента во время хирургических операций и лечения с использованием микророботов. Помимо аллергии на некоторые химические вещества, пациентам может угрожать ожоги и поражение током в случае электрического управления, невозможность извлечения робота в случае сбоя и другие опасности. Рассматриваются способы избежания подобных инцидентов.
References

1. Danilenko K.B., Gavryushin S.S. Ispol'zovanie peristal'ticheskogo printsipa dvizheniya v robototekhnicheskikh sistemakh // Nelineinaya dinamika mekhanicheskikh i biologicheskikh sistem: mezhvuz. nauch. sb. Vyp . 2. Saratov : Saratovskii GTU , 2004. S . 132-144

2. Mangan E.V., Kingsley D.A., Quinn R.D., Chiel H.J. Development of a Peristaltic Endoscope // Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA '02). Vol. 1. IEEE Publ., 2002. P. 347-352. DOI: 10.1109/ROBOT.2002.1013385

3. Saga N., Nakamura T. Elucidation of Propulsive Force of Microrobot Using Magnetic Fluid // Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 91, no. 10. P. 7003-7005. DOI: 10.1063/1.1452197

4. Dario P., Ciarletta P., Menciassi A., Kim B. Modeling and Experimental Validation of the Locomotion of Endoscopic Robots in the Colon // Proc. of the 8th International Symposium on Experimental Robotics - ISER. Springer Berlin Heidelberg, 2003. P. 445-453. DOI: 10.1007/3-540-36268-1_40

5. Sangok Seok, Onal C.D., Kyu-Jin Cho, Wood R.J., Rus D., Sangbae Kim. Meshworm: A Peristaltic Soft Robot With Antagonistic Nickel Titanium Coil Actuators // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2013. Vol. 18, no. 5. P. 1485-1497. DOI: 10.1109/TMECH.2012.2204070

6. Boxerbaum A.S., Shaw K.M., Chiel H.J., Quinn R.D. Continuous wave peristaltic motion in a robot // International Journal of Robotic Research. 2012. Vol. 31, no. 3. P. 302-318. DOI: 10.1177/0278364911432486

7. Nakazato Y., Sonobe Y., Toyama S. Development of an In-pipe Micro Mobile Robot Using Peristalsis Motion // Journal of Mechanical Science and Technology. 2010. Vol. 24, iss. 1. P. 51-54. DOI: 10.1007/s12206-009-1174-x

8. Cotta F., Icardi F., Zurlo G.T., Molfino R.M. Peristaltic Locomotion: Application to a Worm-Like Robot // Climbing and Walking Robots. Proceedings of the 8th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines (CLAWAR 2005) / ed. by M.O. Tokhi, G.S. Virk, M.A. Hossain. Springer Berlin Heidelberg, 2006. P. 501-508. DOI: 10.1007/3-540-26415-9_60