Design Optimization of a Hybrid-Driven Soft Surgical Robot with Biomimetic Constraints
Notice bibliographique
Résumé
The current study investigated the geometry optimization of a hybrid-driven (based on the combination of air pressure and tendon tension) soft robot for use in robot-assisted intra-bronchial intervention. Soft robots, made from compliant materials, have gained popularity for use in surgical interventions due to their dexterity and safety. The current study aimed to design a catheter-like soft robot with an improved performance by minimizing radial expansion during inflation and increasing the force exerted on targeted tissues through geometry optimization. To do so, a finite element analysis (FEA) was employed to optimize the soft robot's geometry, considering a multi-objective goal function that incorporated factors such as chamber pressures, tendon tensions, and the cross-sectional area. To accomplish this, a cylindrical soft robot with three air chambers, three tendons, and a central working channel was considered. Then, the dimensions of the soft robot, including the length of the air chambers, the diameter of the air chambers, and the offsets of the air chambers and tendon routes, were optimized to minimize the goal function in an in-plane bending scenario. To accurately simulate the behavior of the soft robot, Ecoflex 00-50 samples were tested based on ISO 7743, and a hyperplastic model was fitted on the compression test data. The FEA simulations were performed using the response surface optimization (RSO) module in ANSYS software, which iteratively explored the design space based on defined objectives and constraints. Using RSO, 45 points of experiments were generated based on the geometrical and loading constraints. During the simulations, tendon force was applied to the tip of the soft robot, while simultaneously, air pressure was applied inside the chamber. Following the optimization of the geometry, a prototype of the soft robot with the optimized values was fabricated and tested in a phantom model, mimicking simulated surgical conditions. The decreased actuation effort and radial expansion of the soft robot resulting from the optimization process have the potential to increase the performance of the manipulator. This advancement led to improved control over the soft robot while additionally minimizing unnecessary cross-sectional expansion. The study demonstrates the effectiveness of the optimization methodology for refining the soft robot's design and highlights its potential for enhancing surgical interventions.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».