A piezoelectric motor for microrobots in soft tissues : feasibility study

Minimally Invasive Surgery (MIS) can be considered as a revolution in surgical practices since entails a variety of patient-oriented bene ts ranging from reduction of recovery time, medical complications, infection risks, and postoperative pain to increased quality of care. In neurological eld it can be useful in the placement of depth electrodes (necessary for example in Deep Brain Stimulation, DBS), as well as in stereotactic biopsies or treatment of tumors and epilepsies. The next step in the evolution of medical procedures will entail extremely targeted, localized and high precision techniques performed by untethered mi- crorobots; in fact new robotic frontiers are direct not only towards increased autonomy and intelligence but also towards the micro and nano-scales. Such micro-devices, used for in-vivo applications, could enable not only less trauma to the patients but also new therapies, reaching anatomical zones otherwise di cult to access. To design a microrobot is important to consider what type of environment it has to move in; afterwards, the choice of the propulsion method cannot be independent from the speci c anatomical district and application. For ii example, a microrobot designed to advance in the GastroIntestinal (GI) tract will be subject to forces extremely di erent from those that act on a microrobot designed to move into the brain. In brain-like materials (characterized by low-Re numbers) can be used eu- karyotic microorganisms propulsion method. They present agella (active organelles) capable to create rotating movements as well as traveling waves [49]. Taking inspiration from those organisms, the purpose of this work was to demonstrate that a possible agella-like method for the propulsion of a microrobot in a low-Re number environment is feasible. As demonstrated by K osa [13], a piezoelectric beam (the agellum) can be excited in a properly way to form a traveling wave allowing forward as well as backward microrobot movement. The choice of the piezoelectric beam traveling wave method was made for two reasons: 1. This type of propulsion method should avoid possible damaging and bleeding to the neurological tissue since it uses low amplitude vibrations (10-20 m). 2. The piezo actuator is suitable also for MRI use, in fact it is compatible with MRI static eld, gradients and RF eld. An upscaled prototype was realized in order to verify if the piezoelectric actuator (APC-40-1055 stripe actuator) could e ectively move into the brain through a traveling wave mechanism. The whole beam was subdivided into three parts applying amplitude and phase modulated waveforms to each part. The chosen amplitude and phase values, computed using the simulation en- viornement provided by K osa ([13]), allow an optimization of the traveling wave for each resonance frequency of the beam. An analog circuit was hence iii designed and realized to excite the bimorph actuator (two thin panels of ce- ramic elements bonded together with a exible metallic panel as it's central electrode) with the needed parameters. The piezoelectric beam was dipped into a gelatin phantom (material that well approximate brain mechanical properties [70]) and clamped to an alumi- num rod. Once calibrated the rod, we measured the propulsive force using a Laser Displacement Sensor (LDS) (Keyence LC-2001), since rod de ection is directly correlated to the force generation. A comparison was made between propulsive forces obtained with traveling wave and regular beating stimulation. A regular beating method is generally used by organisms like sh, that swim in an high Re-number environment characterized by turbulent ow. Such beating method cannot be used in Low Re-number where an asymmetric shape is needed to develop a propulsive force. Comparisons were performed between experiments with piezoelectric actuator (in both modality) excited at its third resonance frequency, that theoretically enables the generation of the maximal stroke [13]. As expected, the traveling wave modality (which entail an asymmetry in the shape) shows better results with respect to regular beating (which entail no asymmetries), since, in a low-Re material, viscous forces that determine laminar ow are higher than inertial ones. In the traveling wave modality we measured a propulsive mean force of 0.90 mN, while 0.25 mN force was measured with regular beating. Such results show that a piezoelectric actuator can be used to propel a mi- crorobot into a soft tissue like brain. Further experiments are needed in order to understand if the propulsive e ciency is maintained also in a downscaled prototype as predicted by theory.

La chirurgia mini-invasiva (MIS) pu o essere considerata come una tecnica rivoluzionaria in campo chirurgico in quanto apporta una serie di bene ci per il paziente come ad esempio un minor tempo di convalescenza, un minor rischio di complicazioni e di infezioni, e una minor so erenza post-operatoria, con un miglioramento della qualit a del trattamento. In campo neurochirurgico la MIS e un approccio utile nel posizionamento di elettrodi in zone profonde del cervello (necessari ad esempio nella stimolazione elettrica profonda del cervello, Deep Brain Stimulation, DBS), oppure in interventi di biopsia, nel trattamento di tumori o epilessia. Possibili sviluppi futuri in ambito medico, prevedono un approccio mini- invasivo per applicazioni mirate, localizzate e ad alta precisione, attraverso l'utilizzo di micro-robot guidati in modalit a wirless. Infatti, le nuove frontiere della robotica non riguardano solo una maggiore autonomia e intelligenza dei dispositivi, ma anche una tendenza alla micro e nano-scala. Questo tipo di micro-dispositivi, usati per applicazioni in-vivo, possono permettere non solo di arrecare un minor trauma per il paziente ma anche lo sviluppo di nuove terapie, in grado di accedere a zone altrimenti di cilmente raggiungibili. vi Nel progettare un micro-robot e importante considerare l'ambiente in cui andr a ad operare; inoltre la scelta del metodo propulsivo dipender a dal di- stretto anatomico interessato e dall'applicazione. Ad esempio, un micro-robot progettato per muoversi nel tratto gastrointestinale sar a soggetto a forze estre- mamente di erenti da quelle che agiscono su un micro-robot progettato per muoversi nel cervello. Se si considerano materiali con propriet a simili al cervello (caratterizzati da un basso numero di Reynolds), e possibile mimare metodi propulsivi ti- pici di micro-organismi quali gli eucarioti. Questi ultimi presentano agelli (organelli attivi) in grado di generare movimenti di rotazione oltre che onde viaggianti [49] atti al movimento dell'organismo stesso. Traendo ispirazione da tali organismi, lo scopo di questo lavoro e quello di dimostrare che e pos- sibile implementare un metodo di propulsione per micro-robot in un ambiente con basso Re. Come dimostrato da K osa, un agello piezoelettrico, pu o essere eccitato in maniera opportuna in modo da creare un'onda viaggiante e per- mettere il movimento del micro-robot sia in avanti che indietro. La scelta di un metodo per generare un'onda viaggiante basato su agello piezoelettrico e stata e ettuata per due ragioni: Tale metodo propulsivo dovrebbe evitare possibili danneggiamenti e san- guinamenti al tessuto, giacch e sfrutta vibrazioni dell'ordine dei microme- tri (10-20 m) L'attuatore piezoelettrico e adatto anche all'utilizzo di MRI, essendo compatibile con il campo statico, i gradienti e le radiofrequenze tipiche di tale sistema. e stato realizzato un prototipo sovrastimato per veri care se l'attuatore piezoelettrico (APC-40-1055 stripe actuator) potesse e ettivamente muoversi vii nel cervello attraverso la ricreazione di un'onda viaggiante. L'intero piezoelet- trico e stato suddiviso in tre parti applicando forme d'onda modulate in fase ed ampiezza su ogni parte. I valori di ottimizzazione dell'onda viaggiante, per ogni frequenza di risonanza del piezo, sono stati ottenuti tramite simulazioni al computer, grazie all'ambiente di simulazione fornitoci da K osa ([13]). e sta- to quindi progettato e realizzato un circuito analogico per eccitare l'attuatore bipolare con i valori desiderati. Il agello piezoelettrico e stato immerso in gelatina (materiale che bene approssima le propriet a meccaniche del cervello [70]) e ssato ad un'asta di alluminio. Tramite un sensore laser (Keyence LC-2001) e stata misurata la forza propulsiva, poich e la de essione dell'asta e direttamente correlata alla generazione di forza. Il metodo a impulsi regolari e usato da organismi quali i pesci, che nuo- tano in un ambiente ad alto numero di Reynlods (Re) caratterizzato da un usso di tipo turbolento. I micro-organismi che nuotano in un usso lamina- re (basso Re), assumono invece un comportamento opposto e per sviluppare una forza propulsiva e necessaria un'asimmetria del corpo. Sono stati eseguiti degli esperimenti eccitando l'attuatore piezoelettrico alla sua terza frequenza di risonanza, che teoricamente permette la generazione del massimo picco di forza [13]. E' stata quindi paragonata la forza propulsiva ottenuta con l'onda viaggiante e con quella ottenuta attraverso la stimolazione ad impulsi regolari. Come preventivato, la teoria dell'onda viaggiante (che comporta un'asim- metria nel corpo) mostra migliori risultati rispetto agli impulsi regolari (che non comportano alcuna asimmetria) poich e in un materiale viscoso a basso Re, le forze che determinano il usso laminare sono maggiori rispetto a quelle inerziali. In modo particolare, nella modalit a ad onda viaggiante e stata mi- surata una forza propulsiva media di 0,90 mN, mentre con impulsi regolari di viii 0.25mN. I risultati ottenuti mostrano che l'attuatore piezoelettrico pu o essere uti- lizzato per movimentare un microrobot in un tessuto molle quale il cervello. Sono necessari ulteriori esperimenti al ne di comprendere se la forza pro- pulsiva, sviluppata in un prototipo dalle dimensioni minori rispetto a quello realizzato in tale lavoro di tesi, sia ancora su ciente a garantire il movimento, come asserito da teoria. Possibili sviluppi futuri in ambito medico, prevedono un approccio mini-invasivo per applicazioni con target mirato, localizzato e ad alta precisione, attraverso l'utilizzo di micro-robot senza fili. Infatti, le nuove frontiere della robotica non riguardano solo una maggiore autonomia e intelligenza dei dispositivi, ma anche una tendenza alla micro e nano-scala. Questo tipo di micro-dispositivi, usati per applicazioni in-vivo, possono permettere non solo di arrecare un minor trauma per il paziente ma anche lo sviluppo di nuove terapie, in grado di accedere a zone altrimenti difficilmente raggiungibili. Lavorando a livello microscopico, i maggiori problemi riguardano la miniaturizzazione e il comportamento fisico che è significativamente differente rispetto a quello proprio dei dispositivi di dimensioni maggiori. Nel progettare un micro-robot è importante considerare l'ambiente in cui andrà ad operare; inoltre la scelta del metodo propulsivo dipenderà dal distretto anatomico interessato e dall'applicazione. Ad esempio, un micro-robot progettato per muoversi nel tratto gastrointestinale sarà soggetto a forze estremamente differenti da quelle che agiscono su un micro-robot progettato per muoversi nel cervello. Se si considerano materiali con proprietà simili al cervello (caratterizzati da un basso numero di Reynolds), una possibile soluzione consiste nel mimare metodi propulsivi tipici di micro-organismi quali gli eucarioti. Essi presentano un flagello in grado di generare movimenti di rotazione oltre che onde viaggianti [Roper et al.]. Traendo ispirazione da tali organismi, lo scopo di questo lavoro è quello di dimostrare che è possibile implementare un metodo di propulsione per micro-robot in un ambiente con basso Re. Un'asta piezoelettrica (il Flagello) può essere eccitata in maniera opportuna in modo da creare un'onda viaggiante e permettendo il movimento del micro-robot sia in avanti che indietro. La scelta di un metodo per generare un'onda viaggiante basato su trave piezoelettrica è stata effettuata per due ragioni: 1. Il metodo propulsivo deve evitare possibili danneggiamenti e sanguinamenti al tessuto. 2. L'attuatore piezoelettrico è adatto anche per essere usato attraverso MRI. E' stato realizzato un prototipo con dimensioni maggiori per verificare se l'attuatore piezoelettrico (APC-40-1055 stripe actuator) potesse effettivamente muoversi nel cervello attraverso il meccanismo dell'onda viaggiante. L'asta complessiva è stato suddivisa in tre parti applicando forme d'onda modulate in fase ed ampiezza su ogni parte. I valori scelti attraverso la simulazione permettono l'ottimizzazione di un'onda viaggiante per ogni frequenza. E' stato quindi progettato e realizzato un circuito analogico per eccitare l'attuatore bipolare con i valori necessari.a barra piezoelettrica è stato immersa in gelatina (materiale che bene approssima le proprietà meccaniche del cervello \cite{Ritter}) e fissata ad un'asta di alluminio. Tramite un sensore laser è stata misurata la forza propulsiva, poichè la deflessione dell'asta è direttamente correlata alla generazione di forza. Sono stati eseguiti degli esperimenti eccitando l'attuatore piezoelettrico alla sua terza frequenza di risonanza, che teoricamente permette la generazione del massimo picco di forza [Kosa et al.]. E' stata quindi paragonata la forza propulsiva ottenuta con l'onda viaggiante e con quella ottenuta attraverso la stimolazione a impulsi regolari. Il metodo a impulsi regolari è usato da organismi quali i pesci, che nuotano in un ambiente ad alto numero di Re caratterizzato da un flusso di tipo turbolento. I micro-organismi che nuotano in un flusso laminare (basso numero di Re), assumono invece un comportamento opposto e per sviluppare una forza propulsiva è necessaria un'asimmetria del corpo. Come preventivato, la teoria dell'onda viaggiante mostra migliori risultati rispetto ai battiti regolari poiché in un materiale viscoso a basso numeri di Re, le forze che determinano il flusso laminare sono maggiori rispetto a quelle inerziali. In modo particolare, nella modalità ad onda viaggiante è stata misurata una forza propulsiva media di 0,90 mN, mentre con battiti regolari di 0.25mN. I risultati ottenuti mostrano che un attuatore piezoelettrico può essere utilizzato per movimentare un microrobot in un tessuto molle quale il cervello. Tuttavia particolare attenzione deve essere posta all'isolamento dell'asta piezoelettrica. Ulteriori esperimenti sono necessari per investigare se l'efficacia propulsiva sia mantenuta anche in un prototipo di dimensioni ridotte, così come predetto dalla teoria.