מבוא לאיסטנסיביות ב- Soft Actuators לשימוש ביו-רפואי

הנדסה ביו-רפואית חווה שינוי פרדיגמטי עם עלייתם של ממריצים רכים - devices אשר מייצרים תנועה באמצעות חומרים מתואמים, ולא מפרקים מכניים קשיחים.הפועלים האלה נועדו לחקות את הגמישות הטבעית של רקמות ביולוגיות, מה שהופך אותם אידיאליים עבור יישומים בטכניקה חומרית, אסתטיקה, ומכשירים גמישים יותר.

פועלים רכים מצאו את דרכם לתוך כלים כירורגיים לנווט איברים עדינים, גפיים אסתטיות שמשחזרים את הגאה הטבעית, ואת exoskeletons המסייעים שיקום. בכל המקרים האלה, גמישותו של המתפקד משפיעה ישירות על נוחות המטופל, בטיחות, ואת מכשיר ארוךריכות זמן. כמו התקדמות מחקר, היכולת להתאים התנהגות גמישה - מתופסים מאוד מתוחה כדי להתחזקות עבור עומס - ופעולות טכנולוגיות חכמות, אך לא רק כדי ליצור יעילות בתחום זה, אלא גם חומרים גמישים, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אשר מונעים, אך ורק חומרים מתקדמים בתחום זה, אך ורק אקטיביים, אך ורק אקטיביסטים חכמים של חומרת חומרים מתקדמים, אך ורק כדי ליצור יעילות בתחום זה, אך ורק כדי ליצור יעילות חישובית, אך ורק על ידי תרגול יעיל של חומרים גמישים, אך ורק על ידי תרגול יעיל של חומרים מתקדמים, אך ורק על ידי תרגול יעיל של חומרים גמישים, אך ורק על ידי חומרים גמישים, אך ורק על ידי תרגול יעיל של חומרים מתקדמים, אשר מופעלים, אך ורק כדי לתרגל יעילות חישוביים, אך ורק על ידי תרגול יעיל של חומרים גמישים, אשר מופעלים, אשר מופעלים, אשר מופעלת, אך ורק כדי לתרגל יעילות חישוביים,

הבנה של אסטאליות בחומרים רכים

(א) , ⁇ ב-FLT (מסוגים) הוא לא רכוש יחיד אלא קבוצה של התנהגויות הקשורות ל-[[מהפכה]], רוב חומרי הפעולה הרכים הם פולימרים המציגים את FLT:0viscoelasticityFLT:1 - שילוב של חומרים גמישים (recoverable) ו-Tatecous (זמן-תלוי) של רפורמציה.זה אומר התגובה של החומר תלויה בקצב של עומס, והשפעה על ההיסטוריה של עיוותים במהירות, כי הם יכולים להגיב על ידי שימוש חוזר על ידי שימוש חוזר על ידי שימוש חוזר על כך שאפקטים, כי הם משפיעים על כך שאפקטים על כך שאפקטים על כך שאפקטים על כך שאפקטים על כך שהם יכולים להגיב על כך שהם יכולים להגיב על כך שאפקטים על ידי גירוי אנרגיה.

המונחים: keystadmeters

מהנדסים לאפיין חומרים רכים באמצעות מספר פרמטרים:

  • (FLT:0) של המודולולוציות של יאנג (E) 1 (E) - מדד של נוקשות במתח או דחיסה.רקמות רכות כמו שריר יש מודולולי בטווח של 10-100 kPa, כך שפועלים אינטראקציה איתם צריכים להיות ערכים דומים.
  • (FLT:0) הגבלת גבולות נצחיים (FLT:1) או נקודת התשואה - הלחץ המקסימלי לפני שעיוות קבוע מתרחש.
  • (FLT:0Strain at BreakofFLT:1) - הזן המקסימלי חומר יכול לעמוד בפני.יש יישומים הדורשים זנים מעל 200% (למשל, מאחזים קלים לניתוח laparoscopic).
  • (ב) ⁇ :0)HysteresisFLT:1 - ההבדל בטעינה ועקום, המייצג אובדן אנרגיה.היסטריה נמוכה היא הרצויה עבור מעשה יעיל, חוזר.
  • (ב) ,0) וזמן הרגיעה הוויתור ההרפיה הרציני (Viscoelasticרגיע TimeFLT:1), הזמן הדרוש ללחץ להתכווץ תחת לחץ קבוע, המשפיע על מהירות התגובה.

חומרים רבים של אקטוטור רך גם להציג את עקומת הלחץ בצורת J:0 non ליניארית אלסטיות FLT ( 1:1) - את השינויים הנוקשות שלהם עם מתח, לעתים קרובות מראה עקומת מתח בצורת J דומה לרקמות ביולוגיות.לא לינאריות זו ניתן למנף כדי ליצור פועלים כי הם תואמים לכוחות נמוכים, אך מתנגדים לעיוות מופרז, לחקות את ההתנהגות המכנית של העור, הדם, כלי הדם, והטרנטינים.

התפקיד של אלסטיאוס בביצוע Soft Actuator

אלסטיליות משפיעה ישירות על ארבעה היבטים קריטיים של תפקוד פעולה רך בהגדרות ביו-רפואיות: בטיחות, הסתגלות, עמידות ויכולת לבצע משימות עדינות.

בטיחות מוגברת

הדאגה העיקרית בכל מכשיר ביו-רפואי היא הבטיחות של המטופל.מפעילי Soft המיוצרים מחומרים גמישים הנכנעים תחת לחץ, צמצום הסיכון לטיהור, ללקות או נזק דחיסה לרקמות.לדוגמה, אנדוסקופ רובוטי רך המשתמש בפעמונים אלסטיים יכול לנווט את המעי הגס על ידי דהור סביב קירות.אם המבצע נתקל בהתנגדות בלתי צפויה, זה פשוט גורם יעיל של דחיסות גבוהה של כוחות לאטום.

שיפור הסתגלות לאנטומיה מורכבת

האנטומיה האנושית היא לעתים רחוקות שטוחה, ישירה או אחידה.אלסטיאטטור יכול להתאים לעצמות מעוקלות, משטחים לא סדירים של איברים, וקומטים רציפים רציפים (Soltles) עבור שיקום שבץ, שרירים pneumatic גמישים יכולים להיות מחוברים לזרוע של המטופל ולהתאים לצורת הגפיים במהלך התנועה.

יציבות גדולה יותר ותוחלת החיים

חומרים אלסטיים עמידים באופן מהותי לנזק מ-bending, מעוות, ו מתיחה. בניגוד לחומרים קשיחים שעלולים לפצח תחת לחץ מחזורי, elastomers יכולים לעבור מיליוני מחזורי עיוות אם נועדו כראוי.זה חשוב במיוחד עבור מכשירים מושתלים או אסתטיקה כי חייב לתפקד באופן אמין במשך שנים. השילוב של התחדשות גבוהה ועייפות נמוכה בחומרים כגון סיליקון elastomers עושה אותם לשימוש מתמשך עבור מהנדסים, אך עדיין, עם זאת, עם זאת, עדיין, עם זאת, עדיין, עם זאת, יש צורך לחץ ארוך.

היכולת לבצע משימות Delicate

מעשים רכים מצטיינים ביישומים הדורשים מניפולציה עדינה.במיקרו-כירורגיה, פועל רך עם גמישות מכוונת מדויקת יכול לתפוס ולתבע כלי דם זעירים זעירים מבלי לקרוע אותם.ב רובוטיקה שיקום, מחוללי אלסטי יכולים לספק סיוע נוקשות משתנה בהתאם למאמץ של המטופל, המאפשר אינטראקציה טבעית של רובוט אנושי טבעי.

חומרים נפוצים של אלסטיס המשמשים ב- Soft Bioרפואי Actuators

בחירה חומרית היא ההחלטה הבולטת ביותר בעיצוב סלקטיבי רך.כל משפחה של פולימרים אלסטיים מציעה יתרונות נפרדים ומסחריים.

סיליקון אלסטומרס

סיליקון, כגון פולידי מתילסקס קנדי (PDMS) ו- EcoflexTM, הם החומרים הנפוצים ביותר עבור מעשים קלים.הם מציעים ביו-גמישות מעולה, יציבות תרמית גבוהה, ונוקשות הסתגלות דרך שינוי צפיפות הצלב. סיליקון אקטוטורים יכול להיות צוק לתוך צורות מורכבות עמידים להידרדרות כימית שלהם פני השטח נמוך מאפשר שחרור מתבניות ומפחית עם חיכוך טיפוסי ל- 50 סיליקון ארוך יותר, עם זאת, 000 נטייה נמוכה יותר, 000.

Thermoplastic Elastomers (TPEs)

TPEs כמו פוליאורטן וסטיילרן-אתילן-אבלדינא-סטיילן (SEBS) משלב את האפקטיביות של thermoplastics עם גמישות של גומי.הם ניתן להזרקה מעוצבת או 3D מודפס, המאפשרת ייצור מהיר וגאומטריה מורכבת.TPEs בדרך כלל יש כוח רב-עוצמה גבוהה יותר והתנגדות מדמיעמעמסה, מה שהופך אותם מתאימים עבור ממופעים קצרים.

הידרוגל

הידרוגלים הם רשתות פולימרים מלוכדות המכילות חלק גדול של מים, נותן להם מודולים נמוכים מאוד (1–100 kPa) וגמישות גבוהה ביו-קו-אופטפטיות דומה לרקמות טבעיות.הם אטרקטיביים במיוחד עבור ממריצים מושתלים שבו מגע ישיר עם תאים נדרש. הידרוגלs יכול להיות נועד להגיב לגירויים כגון pH, טמפרטורה או שדות חשמליים, ומאפשרים משככי רך כי לחקות חולשה, עם לחץ דם חזק, או לחץ דם חזק שלהם.

Shape Memory Polymers (SMPs)

ניתן לתכנן SMPs כדי לזכור צורה קבועה ולאחר מכן לשחזר אותו כאשר מופעל על ידי חום, אור, או אות כימי. ב actuators רך, SMPs יכול לספק שליטה נוקשה: מכשיר יכול להיות נוקשה במהלך ההחדרה אבל להיות רך ותואם בטמפרטורת הגוף. חומרים כמו פוליאורטאן SMPs יש עודף טונה טמפרטורות לעבור יכול להיות מעובד סיביים או את הגירסת העיקרית היא לעתים קרובות מחזור איטי.

תגיות:Alits Soft Actuators

מעבר למבחר החומרי, העיצוב של מעשים רכים אלסטיים כרוך בשיקול זהיר של גיאומטריה, חיזוק, שיטת הפעלה, וחיי עייפות.

טווח העיוות והאקומטיקה

מהנדסים חייבים להגדיר את הטווח הרצוי של תנועה ופרופילי זנים.לדוגמה, פועל אצבע רך עשוי להיות nd 180 מעלות עם כוח טיפ של 1 N. זה דורש איזון של משתנים חומריים, עובי קיר וצורה קאמרית. ניתוח אלמנט פיניט (FEA) משמש באופן שגרתי כדי לדמות עיוותים גדולים עם מודלים חומרים היפרלטיים (למשל, ניאו-Hoanoke, , ir-Moanoke, ir-Monite Analysis, ulating מודלים של חומרים לא-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

זמן תגובה ו-Actuation Dynamics

חומרים אלסטיים מאחסנים ומשחררים אנרגיה לאורך זמן. pneumatic ו הידראולים מוגבלים על ידי המהירות של זרימת הנוזל ואת גמישות של קירות התאHz.עבור יישומים הדורשים תנועה גבוהה (למשל, לב מלאכותי), ההפסדים הקדמיים של המתפקד יכולים להוכיח ביצועים דקים.

Fatigue ו Cyclic Loading

מכשירים רפואיים דורשים לעתים קרובות אלפי עד מיליוני מחזורים.חומרי אלסטיס יכולים לסבול מצמיחה של עייפות, במיוחד בריכוזים של פגמים עובש או פינות חדות. תחזיות חיים מסתמכות על בדיקות מכניקה ומודלים של נזק מתמשך.אסטרטגיות עיצוב כוללות הימנעות שינויים גיאומטריה פתאומיים, באמצעות שכבות מחוסמות מתוחכמות, ובחירת חומרים עם עמידות גבוהה, כגון ציונים מסוימים של סיליקון:0FLT:0FLT: 1A מחקר על ידי מתחמי מרפאים על ידי מתחמי מרפאים על ידי מתחמי מרפאים סביבתיים, הוא מושפעת רוחשים, אשר נמצא על ידי מתחמיים גמישים.

מודלים וסימציה מתקרבים

מודלים מדויקים של מתאמני רכות אלסטיים חיוניים לחיזוי ביצועים, אימות בטיחות, וצמצום מספר אבטיפוס פיזי.רוב המודלים מבוססים על מכניקת רצף עם חוקים חומריים היפראלסטיים.בחירה של מודל חומרי תלויה בטווח ובסוג של עיוות.

  • (ב) (ב) ,0) ,Neo-Hookean ModelFLT:1 , פשוט, טוב לזנים בינוניים (עד 40%).
  • (ב) מודל קדמון (FLT:0)Mooney-Rivlin ModelFovlin: (הטוב לזנים גדולים יותר (עד 100-20%).
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) מודל לדגם מודל FLT:1 - גמיש מאוד אך דורש מידע בדיקות חומרים יותר.

מודלים אלה מיושמים בתוכנות FEA (Abaqus, ANSYS, COMSOL) ו בשילוב עם סימולציות מבניות נוזליות (FSI) עבור pneumatic או הידראולים Actuators.בנוסף, דינמיקה רב-גוף ניתן להשתמש כדי לדמות כיצד המפעיל אינטראקציה עם השלד נוקשה או סביבה חיצונית. אימות מבוצע בדרך כלל באמצעות תמונה דיגיטלית (DIC) למפות על פועל על פני השטח המבצע במהלך פעולת השטח.

שילוב למכשירים ביו-רפואיים

פועלי אלסטיאלס רכים משולבים במערך רחב של מכשירים ביו-רפואיים, כל אחד עם דרישות ספציפיות לגמישות, גודל ומנגנון הפעלה.

אסתטיקה

ידיים פשטות להשתמש בפוטורים גמישים כדי להשיג הבנה עקבית.בניגוד לאצבעות הסתברותיות קשיחות, ספרות רכות יכולות לעטוף סביב אובייקטים של צורה ומשקל משתנה ללא מערכות בקרה מורכבות.הגמישות של המתרגל סופגת גם זעזוע כאשר מאחז, צמצום העומס המכני על ממשק השקע.חלק מהעיצובים משלבים אלמנטים קשיחים - לדוגמה, שכבת חלקיקים שניתן לספוגה בין הסגת לבין אחיזה.

רובוט כירורגי

ניתוח פולשני מינימלי דורש כלים שיכולים לנווט חללים מוגבלים ולתפעל רקמות עם גסות גבוהה.אלסטיסטיקן סלקטור רך משמשים ב catheters, זרועות אנדוסקופיות, ומיקרו-grippers. שלהם ציות שלהם מפחית את הסיכון של טראומה לכלי דם או איברים במהלך הכנס.דוגמה בולטת היא FLT:0STIFF-FL Actof-opcopyuphcopyalatorird, 1, מורכב מכיוונים מרובים של סיליקון לשימוש סיליקון;

« גירושים ושיקום

(הדברים המאוחרים) של הגפיים התחתונים או הקיצוניות העליונות מסתמכים על פועלים גמישים כדי לסייע לתנועות משותפות ללא קישורים כבדים, קשיחים.שרירים מלאכותיים Pneumatic (PAMs), הידועים גם כשרירים מקיבון, הם צינורות גמישים של גמישות אשר חוזה כאשר לחץ על מנת לחדד את ההתנהגות של שריר השלד ולספק משקל גבוה למינימום: 0 {\displaystyle to beli-F} כדי לספק את מידת האבטחה שלהם באופן מדויק של לחץ דם (relimate) כדי לספק את מידת האבטחה שלהם.

גריפים רכים לרפואת שיניים

בייצור תרופות או הנדסת רקמות, מאחזים רכים משמשים כדי לבחור ולמקם דגימות ביולוגיות עדין, כגון אשכולות תאים, או איברים, או רקמות לבנות.הגמישות של התופסת מבטיחה כי הדגימה אינה מרוסנת. אלה לעתים קרובות פועלים על ריק או עקרונות pneumatic, עם חומר גמיש המספק את הכוח השבה להיפתח לאחר השחרור.

אתגרים בעיצוב ®Altstela Soft Actuator

למרות היתרונות, יש להתגבר על כמה אתגרים טכניים כדי לפרוס באופן אמין את המתועבים הרכה בפרקטיקה קלינית.

מינוף גמישות וכוח

חומרים רכים מאוד עשויים לא לספק מספיק כוח עבור משימות מסוימות, בעוד חומרים נוקשים יותר עשויים להתפשר על בטיחות.מהנדסים חייבים לעצב במכוון את פרופיל הנוקשות של המתפקד - לעתים קרובות באמצעות מבנים מורכבים או תכונות חומריות שונות לאורך כל - כדי להשיג את הכוח הדרוש וציות בו זמנית.

זמינות ו Sterilization

כל החומרים שמלווים את הגוף חייבים לעמוד בסטנדרטים ביו-כיפור (ISO 10993).סיליקון וכמה TPEs אושרו להשתלה לטווח ארוך, אבל חומרים מתקדמים רבים חסרים הסמכה.בנוסף, שיטות סטריליזציה (אוטומט, תחמוצת שתן, קרינה) יכולים לדה- פולימרומית גמישה.

סליחות ו- Sealing

מתאמני פלויד מונעים תנופה אמינה למנוע דליפות של אוויר מתוח או נוזל הידראולי לתוך הגוף.זה קריטי במיוחד כאשר נוזל עבודה אינם תואמים ביולוגית (למשל, שמנים הידראוליים מסוימים) דיאלקטריים אלקטרו-אלסטומר פועלים (DEAs) פועלים על מתח גבוה (טווח DV) ודורשים בידוד כדי למנוע זעזוע חשמלי.

המונחים: mechanismאינטגרציה

ניתן להניע את פועלי אלסטיאל באופן מפומטי, הידראולי, תרמילי, מגנטי או חשמלית (כמו ב- DeAs) כל שיטת הפעלה מטילה מגבלות נוספות. מערכות ⁇ דורשות דחוסים מסיביים וצ'קוזי; פועלים תרמיים יש תגובה איטית; פועלים מגנטיים זקוקים לתחומים חיצוניים חזקים.

תחזיות עתידיות ומגמות מתפתחות

תחום של מעשים קלים ממשיך להתפתח במהירות, עם חומרים חדשים וטכניקות שנועדו להתגבר על המגבלות הנוכחיות.

« ניצחונות עצמיים

חוקרים מפתחים פולימרים שיכולים לתקן את הנזק שנגרם על ידי puncture או עייפות.חומרים אלה self-healing בדרך כלל להסתמך על אג"ח דינמי covalent או איחוד מימן הפיכה. שילוב חומרים כאלה לתוך ממריצים רכים יכול להגדיל באופן דרמטי את חיי המכשיר ואת האמינות, במיוחד עבור שתלים שלא ניתן להחליף בקלות.

חומרים רגישים

חומרים שהנוקשות שלהם יכולה להשתנות על הביקוש - באמצעות טמפרטורה, שדה חשמלי או שדה מגנטי - שליטה חסרת תקדים.לדוגמה, elastomers מגנטיים משובצים חלקיקים פרורומגנטיים יכול להפוך נוקשה יותר בנוכחות שדה מגנטי.זה מאפשר להפעלה להיות רך עבור שילוב ונוקשות עבור לתפוס, להתאים את התנהגותו בזמן אמת.

הדפסה 4D והתאמה

ייצור אדקטי של פועלים רכים באמצעות בצורת פולימרים זיכרון או filaments מורכבים מאפשר יצירת מבנים שמשנים צורה לאורך זמן בתגובה לגירויים.זה מוסיף מימד זמני - "4D" - אל עיצוב המתיחה.תוכנית anisotropy גמיש ניתן להשיג על ידי התאמת סיבים במהלך הדפסה, המוביל לפעול עם מתפתלים בנוי עם מתפתל או מעוות.

Biohybrid Actuators

שילוב חומרים גמישים סינתטיים עם תאים חיים (למשל, קרדיומציטים או תאי שריר) יוצר ביוהיברידיים שפועלים עם מקורות אנרגיה ביולוגיים (למשל, אלה פועלים להבטיח הבטחה עצומה עבור תות לב, שרירים מלאכותיים ורובוטים רכים שמממשקים ישירות עם רקמת חיים.האתגר העיקרי הוא שמירה על יכולת התא ולהבטיח כיפיתוב גמיש מספק תמיכה מכנית מתאימה.

ככל שהחידושים האלה מתבגרים, השילוב של גמישות למבצעים רכים ימשיך להרחיב את הגבולות של מה שניתן בהנדסת ביו-רפואיים.המסע מטיפוס מעבדה למכשיר שאושר קלינית הוא ארוך, אך התפקיד הבסיסי של גמישות בהבטחת בטיחות, ביצועים ונוחות המטופל מבטיח שהוא יישאר עדיפות.

מסקנה

אלסטיליות היא אבן הפינה של עיצוב פעולה רך עבור הנדסה ביו-רפואית.זה קובע כיצד מכשירים אלה יכולים לחקות רקמות ביולוגיות, לפעול בבטחה בתוך הגוף, ולספק את האינטראקציות המכאניות המדויקות הדרושות למטרות טיפוליות או אבחון.מהבחירה של חומרים - silicones, הידרוג'ליסטים, TPEs, צורה פולימרים מכניים, מודלים חישוביים מתוחכמות המשמשים לחיזוי ההתנהגות שלהם, כל היבט של עיצובים וקידום תכונות אבטחה במהירות, תוך כדי שמירה על פני השטח, תוך כדי שמירה על פני השטח של חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על פני השטח, תוך כדי שמירה על פני השטח, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים רפואיים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, תוך כדי שמירה על חומרים גמישים, הוא ממשיך להיות יעיל יותר, תוך כדי שמירה על תרופות גמישים, תוך כדי שמירה על תרופות, תוך כדי שמירה על תרופות נוגדות, תוך כדי שמירה על תרופות גמישים, תוך כדי שמירה על תרופות נוגדות, תוך כדי שמירה על תרופות