Development of Magnetic Steering Soft Continuum Robots for Minimally Invasive Surgery

Abstract

Minimally invasive surgery (MIS) offers several advantages over traditional open surgery, including reduced patient recovery time, decreased postoperative pain and discomfort, lower infection risk, and overall lower complication rates. For these reasons, MIS has been widely adopted across various surgical fields and has continuously evolved into more precise and effective surgical methods through ongoing technological advancements. Despite the drawbacks such as increased surgeon fatigue, longer surgery times, and differences in flexibility and intuitiveness, recent technological progress has expanded the scope of robot-assisted surgeries. Currently, most medical robots used for MIS are rigid-link robots. While these rigid-link robots enable precise and delicate movements, their limited degrees of freedom restrict mobility, hindering the robot's adaptability and safe patient interaction. To address these issues, magnetic soft continuum robot (MSCR) have recently been proposed for MIS. However, these MSCR face challenges such as weak actuation forces and limited actuation range. This study proposes three approaches to enhance the actuation range of magnetic soft continuum robots. First, a MSCR with a variable stiffness (VSMSCR) mechanism was proposed, addressing biocompatibility issues and expanding the actuation range. VSMSCR can be magnetically steered by a permanent magnet at the end and can have variable stiffness characteristics by a phase transition of graphene polylactic acid (GPLA). Thus, the proposed VSMSCR is easy to fabricate and miniaturize as a MSCR. To verify the magnetic steering and variable stiffness performances of the proposed MSCR, various basic experiments and analysis simulations were executed. In addition, by applying the variable stiffness property, we can construct a double-segment structure with variable stiffness and verify its implementation in postures which are difficult to achieve in other MSCR. Second, asymmetric magnetized soft continuum robot (AMSCR) was proposed. The proposed AMSCR includes an active steering part (ASP) of a thin PDMS cylinder in which NdFeB powder is uniformly dispersed and magnetized asymmetrically to the longitudinal direction. Therefore, compared to the conventional symmetric magnetized soft continuum robot (SMSCR), the proposed AMSCR has a larger steering range and high dexterity. Finally, a magnetic soft continuum robot using a movable opposite magnet (MSCR-MOM) was proposed to further expand the actuation range. An analytical model of the proposed MSCR-MOM was presented, and through simulation and various experiments, its characteristics were analyzed and the workspace expansion was validated. In addition, the clinical applicability of the proposed MSCR-MOM was verified through phantom experiments. In conclusion, this study provides practical solutions to enhance the performance and expand the workspace of MSCR, thereby contributing to the efficacy of minimally invasive surgery such as interventions. Keywords: Soft continuum, Magnetic steering, Dexterous Manipulation, Magnetic actuation, Workspace| 최소침습수술은 기존의 개복수술과 비교하여 환자의 회복 시간이 단축되고, 수술 후 통증과 불편함이 감소하며, 감염 위험이 줄어들어 전반적인 합병증 발생률이 낮다는 장점이 있다. 이러한 이유로 최소침습수술은 다양한 외과 분야에서 널리 채택되고 있으며, 지속적인 기술 발전을 통해 더욱 정교하고 효과적인 수술 방법으로 자리잡고 있다. 이러한 수술 방법은 의사의 피로도와, 수술시간의 증가, 유연성 및 직관성의 차이 등의 단점에도 불구하고, 최근 몇 년간 기술의 발전에 힘입어, 로봇을 이용한 수술로 그 영역을 확장하고 있다. 현재 사용되고 있는 대부분의 최소침습수술용 의료로봇은 강체-연결 로봇이다. 이러한 강체-연결 로봇은 정밀하고 섬세한 구동이 가능하지만, 제한된 자유도로 인해 이동을 제한하여 로봇의 적응성과 안전한 환자 상호작용을 저해한다. 이러한 문제를 해결하기위해서 최근에는 최소침습수술용 수술로봇으로 전자기 구동 소프트 컨티늄 로봇을 제안되었다. 하지만, 이러한 전자기구동 소프트 컨티늄 로봇은 구동력이 약하고 구동범위가 좁다는 단점이 있다. 본연구에서는 전자기 구동 소프트 컨티늄 로봇의 구동범위 상승을 위한 3 개의 연구를 제안하였다. 먼저, 가변 강성 메커니즘을 이용한 자기조향 소프트 컨티늄 로봇(VSMSCR)을 제안하였고, 생체적합성 문제를 해결하고 구동범위를 확장하였다. 그래핀 폴리 락틱 애시드를 사용하여 가변 강성을 구현하였고, 이로 인해 소형화와 제작성이 향상되었다. 제안한 소프트 컨티늄 로봇의 자기조향 및 가변성능 검증을 위해 다양한 실험과 시뮬레이션을 진행하였다. 또한, 가변 강성 특성을 적용하여 이중 구조를 구성하고, 다른 자기조향 소프트 컨티늄 로봇에서 구현하기 어려운 자세를 구현할 수 있음을 검증했다. 그 다음, 비대칭 자화를 통해 기존 전자기구동 소프트 컨티늄 로봇보다 향상된 구동범위를 제공하는 비대칭자화 소프트 컨티늄 로봇을 제안하였다. 제안한 비대칭자화 소프트 컨티늄 로봇은 네오디뮴 분말이 균일하게 분산되고 축방향으로 비대칭이다. 따라서 기존의 대칭자화 소프트 컨티늄 로봇과 비교하여 더 넓은 조향범위와 높은 유연성을 가짐을 다양한 실험과 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 최종적으로, 이동 가능한 역배치 자석을 사용하는 전자기구동 소프트 컨티늄 로봇을 제안하였다. 제안한 소프트 컨티늄 로봇은 역배치 자석의 이동에 따라 기존의 소프트 컨티늄로봇은 구현 불가능한 S 모양 같은 다양한 자세를 구현 가능하다. 또한 해석적 모델과 역기구학을 제시하였으며, 이를 바탕으로 시뮬레이션과 실험을 진행하여 제안한 해석적 모델의 타당성을 검증하였다. 또한, 소프트 컨티늄 로봇의 유연성과 작업공간을 동시에 분석하는 방법을 제시하여 제안한 소프트 컨티늄 로봇이 더 우수함을 정량적으로 검증하였다. 추가적으로, 다양한 팬텀실험을 통해서 임상적용 가능성을 검증하였다. 결론적으로, 본연구는 전자기구동 소프트 컨티늄 로봇의 성능을 향상시키고 구동범위를 확장하기 위한 실질적인 솔루션을 제안함으로써, 최소 침습 수술의 안전성과 효과성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.