최근 몇 년 동안 소프트로봇공학은 확장성, 유연성 및 생물학적 조직과의 안전한 상호작용 가능성으로 인해 수술 분야에서 주목을 받았다. 소프트로봇공학의 이러한 측면은 의사가 제한된 공간 내에서 많은 작업을 수행할 수 있어야 하는 최소 침습수술 절차에 특히 유용하다.

중재적 기관지경 검사 절차는 기관지경이 통과해야 하는 까다로운 경로 때문에 소프트 로봇의 개발로 큰 이점을 얻을 수 있다. 폐 가지의 직경이 작기 때문에 기존의 도구로는 초기 종양이 일반적으로 발견되는 폐 깊숙이 도달하기가 매우 어렵다.

그러나 더 좁은 공간에 맞도록 로봇을 더 작게 만들면 실패하기 전에 더 작은 힘을 생성한다. 이것은 로봇이 부드러운 재료로 만들어졌을 때 특히 관련이 있다.

미니어처 소프트 로봇 

폐 생검 절차에서 생검 바늘은 원하는 조직에 천공력을 전달할 수 있어야 한다. 이것은 종종 외과의가 바늘에서 멀리 떨어진 곳에 수동으로 이 힘을 가한다는 사실로 인해 힘이 기관지경의 전체 길이를 이동해야 한다는 사실로 인해 어렵다.

Boston University의 기계 공학 조교수 Sheila Russo와 그녀의 연구실은 크기에 대한 힘 전달을 손상시키지 않는 소프트 로봇을 개발했다. 로봇은 폐를 통해 쉽게 이동할 수 있도록 직경 3.5mm의 원통형 연속체 모양을 가지며 팁에 바늘 전개 메커니즘이 장착되어 있다. 그 디자인은 소형 폼 팩터에 여러 자유도를 내장하여 소프트 로봇의 이점을 극대화하려고 한다.

Advanced Intelligent Systems 에 게시된 이 로봇  은 3개의 독립적인 유체 압력 구동 액추에이터로 구성됩니다. 각각은 내부 압력이 증가하면 로봇 동작이 제어되도록 설계되었다. 이 액추에이터는 로봇을 폐 가지로 조종하고, 로봇 팁이 목표에 가까워지면 로봇 팁을 안정화하고, 목표 종양의 생검을 위해 바늘을 배치할 수 있다. 이 새로운 로봇은 전통적으로 외과 의사에게 제공되는 것보다 생검 바늘을 더 잘 제어할 수 있다.

Russo는 "부드러운 재료를 사용하는 이점은 로봇이 생물학적 조직과 안전하게 상호작용하여 폐 가지 내에 로봇을 고정할 수 있다는 사실을 이용할 수 있다는 것"이라고 말했다. 

안전한 작동 보장

로봇의 안정화는 팁 근처에 내장된 반경 방향으로 팽창하는 소프트 액추에이터에 의해 수행된다. 가압 시 액추에이터는 바늘을 배치할 수 있는 앵커 포인트를 제공하는 폐 가지의 벽과 접촉한다. 그런 다음 로봇 끝에 있는 선형 소프트 액추에이터를 사용하여 바늘을 배치한다.

로봇은 실리콘 몰딩과 미세 가공 레이어링 공정을 조합하여 제조된다. 연질 폴리머 재료는 이러한 프로세스에 사용되어 로봇이 본질적으로 유연하고 확장성이 뛰어난다.

연구원들은 로봇이 높은 수준의 유연성을 달성하고 생검을 수행하는 데 적절한 힘을 생성할 수 있음을 입증하기 위해 세 가지 메커니즘 각각을 특성화했다. 

그들은 모의 폐 모델 내에 로봇을 배치하고 의도된 외과적 사용을 모방함으로써 이 발견을 검증했다. 로봇은 시뮬레이션된 생검 절차를 완료하기 위해 모든 작동 메커니즘을 성공적으로 사용했다.

Russo는 "우리는 로봇이 초기 단계에서 폐암을 진단하고 치료하기 위한 더 빠르고 효과적인 대안으로 생각합니다."라고 말했다. "이러한 로봇의 개발은 보다 효과적이고 효율적으로 수행할 수 있는 최소 침습 절차의 문을 열어 폐암 치료의 미래에 전반적으로 보다 긍정적인 결과를 가져올 것입니다."

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