MICROROBOTICA MEDICALMicrorobotica medical este o parte a microroboticii, care se contureaz ca parte distinct a roboticii.

1. MICROROBOTICA GENERALITICu caracter orientativ se vor prezenta elementele considerate semnificative ale microroboticii mai ales din perspective roboticii medicale.1.1. Precizari generaleMicrorobotica s-a dezvoltat pe baza perfecionrii tehnologiei microsistemelor. Un microsistem complet este format din: micromotor, microsenzori si unitatea de procesare a informaiei.Microroboii sunt microsisteme complexe care folosesc diferite tipuri de micromotoare si microsenzori, fund dotai cu algoritmi pentru procesarea semnalelor inteligente i a informaiei [FAT 99].Criteriile de proiectare si etapele construirii microroboilor si macroroboilor sunt asemntoare avand n vedere particularitile impuse de spaiul micro i de diferenta de mrime.Ca i la un macromecanism, la un microrobot mai intai trebuie produse componentele funcionale cu dimensiunile i structurile interne dorite si apoi acestea urmeaz s fie montate i reglate precis.Pentru a fi folositori, microroboii trebuie sa poat manevra piese de dimensiuni foarte mici si s se poata deplasa pe distane mari cu viteze adecvate, sa fie rezisteni si capabili sa opereze intr-un mediu riscant perioade lungi de timp fara intreinere.1.2. Aplicaii principalePrincipalele aplicatii ale microroboticii, in parte materializate, se prefigureaza in: metrologie, ingineria fabricaiei, obiecte casnice, microasamblare, ingineria automatizrii, tehnologia mediului inconjurtor. medicina i bioinginerie.Astfel, n industrie, respectiv, productie i metrologie, prezinta un interes deosebit sistemele de testare foarte sensibile cu microdimensiuni (pentru testarea microcipurilor).Totodat, ctig teren robotii inleligenti, pentru intretinere i control, care trebuie s ajung in zone inaccesibile (sisteme de conducte, schimbatoare de cilduri, motoarele turboreactoare ale avioanelor. etc.) sau in medii de lucru periculoase (pentru detectarea eventualelor scurgeri de fluide, a parilor defecte i pentru a efectua reparaii).Microasamblarea prezint interes din perspectiva produciei in mas a microsistemelor. Diferitele componente (facute din materiale diferite si prin diferitc microtehnici) trebuie exact asamblate intr-un pas sau mai multi pai pentru a se obtine microsistemul respectiv.Dac este necesara o combinare a componentelor convenionale cu microcomponente este nevoie de o reglare foarte precis i o flexibilitate mare a sistemului de asamblare.Asamblarea microsistemelor, care implic transportarea non-distructiv, manipularea precis i poziionarea exacta a microcomponentelor, este una din cele mai importante aplicatii ale microroboilor.Biotehnologia presupune microstructuri care s permit micromanipulri (sortarea i combinarea celulelor), masurarea profilelor in tesuturi sau injectarea de substane strine intr-o celui cu ajutorul unui microscop. Un exemplu interesant este gasirea anumitor celule ntr-un esut i transportul lor la locul de testare. O alt aplicatie poate consta in plasarea intr-o zona restrns a unui esut a unei microsonde echipati cu senzori biologici.n cercetarea genetiec i tehnologia mediului inconjurtor este necesar manipularea non-distructiv a unor celule, pentru a indica presenta unor substane periculoase.

1.3. Clasificarea microrobotilorMicrorobotii se clasific: dup mrime, dup structur, dup functionalitate i dup sarcina specific. Dup mrime exist miniroboti, microroboi i nanoroboi.Miniroboii au dimensiuni de civa centimetri cubi i sunt realizai din componente conventionale miniaturiziate, pot genera forte comparable cu cele exercitate de operatorul uman n timpul manipulrilor fine, pot fi controlai de la distant, au un anumit grad de inteligen (pentru a fi capabili s lucreze singuri) au o sursa proprie de energie.Microroboii au dimensiuni de civa micrometri cubi, sunt structurai pe un cip i sunt formati dintr-un micromotor, un microsenzor i o unitate de procesare a informatiei Un astfel de robot se poate realiza pe baza unor microtehnologii (cum este microprelucrarea de suprafat i n volum), trebuie s fie programabil i capabil s reacioneze la evenimente neprevzute (poate fi controlat de la distan). O dificultate major la aceti roboi este proiectarea cletilor si.Nanoroboii nu pot fi realizai pe principiile mecanicii clasice. Pentru acetia servesc ca modele unele organisme biologice, inclusiv pentru realizarea nanosistemelor de acionare electrochimica. Dup structur exist mai multe variante de microroboti (fig. 7.1.1) in funcie de combinatiile posibile intre componentele principale (CU - unitatea de control, PS - sursa de putere, AP - micromotoarele de pozitionare, AO - micromotoarele de operare execuie) .n aceast figura microrobotii din partea stanga sunt controlati prin cablu, iar cei din partea dreapt prin telecomanda.Se face observaia ca separarea sursei de putere i a controlului de unitatea de manipulare simplific construcia microsistemului. Microrobotii de tip b sau c au micromotoare integrate, fiind conectai la elementele de control i sursa de energie prin mijloace electrice, hidraulice sau pneumatice. Dup funcionalitate microroboii se diferentiaz in functie de mobilitate (da/nu), autonomie (surs de energie incorporat / neincorporat) i tipul de control (cu cablu / fr cablu). Microroboti pot avea mijloace proprii de deplasare sau se pot deplasa prin mijloace externe (de exemplu deplasarea de ctre curentul de sange dintr-un vas sanguin), caz in care sunt mult mai greu de controlat.Functionalitatea este puternic afectata de sursele de energie performante incorporate, care pn n prezent nu sunt disponibile la nivelul cerintelor. Informatia pentru controlul microrobotului se poate transmite, in absenta cablului, prin interfete acustice, optice, electromagnetice sau termice. Dup sarcina specific clasificarea se face in functie de raportul C, dintre dimensiunile flzice i domeniul de operare al microrobotului. La C1 corespund microrobotii care au marimea de ordinul decimetrilor i pot indeplini sarcini foarte precise (de ordinul micrometrilor sau nanometrilor), la C=1, corespund microrobotii industriali miniaturizati, iar la C1 corespund microrobotii de marime microscopic (utilizati pentru transport, control sau asamblare).Dup [FAT 99], un microrobot universal flexibil, ar trebui sa corespunda caracteristicilor claselor extreme pentru a putea manipula foarte precis obiecte microscopice cu elementele efectoare i, totodata, pentru a se putea deplasa pe distance relativ mari.

1.4. Solutii de acionarePoate cea mai important i totodat cea mai dificila problem a microrobotilor este gasirea celei mai bune solutii de actionare. Importanta actionarii cat i existenta mai multor solutii de actionare rezulta din conceptul microrobotului multi-agent propus in [IDO 93] pentru controlul i intretinerea interiorului obiectelor inaccesibile sau periculoase.Microrobotul este format din patru subsisteme: o microcapsula, o naveta baza, un modul de operare i un modul de inspecie fara cablu. Naveta baza raspunde de transportul modulelor, le furnizeaza energie i transfera datele intre module i unitatea exterioara de control. Microcapsula, avand sursa proprie de energie, are misiunea de a cerceta zonele inaccesibile, vulnerabile sau probabil deteriorate, dupa care raporteaza defectele (catre unitatea de control exterioara). Modulul de control va analiza de asemenea zonele cu defecte i va transmite datele la aceeai unitate de control. In cazul constatarii unor defecte, modulul de operare, conectat de naveta baza printr-un cablu de comunicare i putere, va efectua reparatiile necesare. Acest model a fost descris i pentru ca poate fi folosit ca atare sau in forme derivate in aplicatiile medicale pentru diagnoza sau/i terapie.Pentru actionarea microrobotilor s-au propus mai multe solutii dintre care se prezinta cateva considerate semnificative.a. Actionare cu micromotor cibernetic liniar silentiosPrezentat in [IKU 92] acest tip de micromotor este aratat in fig. 7.1.2, fiind format din: un element electromagnetic pentru poziionare(l), un element piezoelectric (2), o greutate (3) i un element de ghidare (4).

Fazele de funcionare ale micromotorului sunt:- faza b- elementul piezoelectric este excitat si se dilata rapid (greutatea este la distanta maxima fata de elementul de pozitionare)- faza c elementul de pozitionare este fixat de trenul de ghidare prin activivarea electromagnetului- faza d elementul piezoelectric se contracta rapid prin aplicarea unei tensiuni asupra sa (aceasta actiune accelereaza greutatea catre elementul de pozitionare- faza e dupa contractarea completa a elementului piezoelectric, electromagnetul este decuplat si inertia greutatii deplaseaza dispozitivul in directia acceleratiei. Se ajunge astfel in pozitia f care difera cu un pas fata de pozitia initiala a. Cel mai mic micromotor de acest fel are 5x5x12 mm cubi, o greutate de 1g, un element piezoelectric de 1x2x5 mm cubi si la o frecventa de 35 kHz se poate deplasa cu o viteza de 35 mm/s.b. Actionare cu micromasina taratoareDupa o prima varianta cu magneti, a fost realizata o varianta imbunatatita bazata pe principiul miscarii inertiale si al frecarii neliniare Coulomb [ZES 95]. Conform schitei din fig. 7.1.3. partile componente principale sunt: masa suspendata (1), elementul piezoelectric (2), bratele elastice (3), piciorul de cauciuc cu trei talpi (4) si imbinarile flexibile (5). Piciorul interior este in contact cu suprafata de sprijin prin trei rubine. Micromotorul functioneaza prin dilatarea sau contractarea elementelor piezelectrice confrom unei strategii predefinite. La o dilatare rapida, platforma aluneca intr-o parte fata de centrul de greutate datorita fortei de inertie create si a frecarii mici dintre rubine si suport. In continuare elementele piezoelectrice se contracta lent si deoarece fortele de frecare sunt mai mari decat fortele de inertie se evita deplasarea platformei inapoi. La o frecventa de 400 Hz, viteza de deplasare este de pana la un mm/s (la o tensiune maxima de 100 V rezulta o deplasare de un pas de 2m). Precizia de pozitionare poate fi de 10 nm.c. Actionare pe baza de peri

Acest modul de actionare [FUK 93] a fost realizat in doua variante (fig.7.1.4.) deplasare numai inainte (a) si deplasare la stanga si la dreapta (b). Platformele robot constau din: un corp de aluminiu (1), o bobina solenoid (2), un magnet permanet ca o parte a piciorului (3), un picior de tabla (4) in forma de L, o panza din nylon (5) prevazuta cu peri (6) si un opritor din cupru (7). Bobina magnetica (facuta dintr-un miez de fier si o infasurare de 600 spire de sarma emailata) si magnetul permanent formeaza micromotorul electr magnetic. Micromotorul functioneaza prin pornirea si oprirea succesiva a curentului.

Fazele miscarii sunt aratate in figura 7.1.5. Daca bobina nu este alimentata intre magnetul permanent si fier apare o forta de atractie de 0,018 N, iar daca bobina este pusa sub tensiune asupra partii superioare a piciorului se exercita o forta de respingere de 0,054 N si piciorul incepe sa se miste prin alunecare. Micromotorul asigura o deplasare mai buna inainte (datorita perilor indoiti la un unghi de 45) decat inapoi. Poate urca pante de 25 si cara mase de 5 g.

O varianta imbunatita este aratata in fig 7.1.6. (a- reprezentare schematica, b- sectiune prin picior), la care perii sunt foarte fini.Elementele constructive sunt: bobina 1, picorul 2 si suprafata cu peri foarte fini 3, miezul magnetic 4 si arcul 5. Functionarea se bazeaza pe principiul de miscare bazat pe inertie si peri inclinati. Microrobotul poate urma o linie marcata pe suportul de miscare, cu ajutorul a doi senzori cu infrarosu [ISH 95] d. Actionarea cu magneti distribuiti

In acest caz (fig 7.1.7.) prin alimentarea corespunzatoare a unor solenoizi (1) se poate obtine deplasarea unui magnet permanent (2) si implicit a obiectului (3) aflat pe masa de lucru (4). In fig. 7.1.7., a, este reprezentata sectiunea transversala iar in fig. 7.1.7, b, vederea de sus a microsistemului de actionare [INO 95].

e. Actionarea piezoelectrica in mediu fluid

Un ultim exemplu de microsistem de actionare este aratat in fig 7.1.8 Micromotorul, respectiv microrobotul, este format din elementele piezoeleetrice (l) elemntele de legatura(2), artieulatile (3) si ariptoarele (4), Deplasarea microrobotului se obtine ca urmare a transmiterii miscarilor piezoelementelor la aripioare cu o amplificare considerabila (de 250 de ori). Robotul are un grad de libertate de rotatie si unul de translatie fiind capabil sa evite obstacole. La o tensiune de 150 V si o frecventa de 100-300 Hz a piezoelementelor a rezultat o viteza de deplasare de 30 mm/s [FUK 95]. Prin reducerea dimensiunilor (de la 34 mm x 19 mm) se pot obtine variante care ar putea naviga in vasele de sange.1.5 Principiile micromanipulariiMicromanipularea este importanta atat pentru microasarablare (pentru producerea de microsisteme) cat si pentru efectuarea anumitor microoperatii cu caracter medical.Se precizeaza ca in prezent se au in vedere trei metode de micromanipulare: total manuala (folosind ciocanele si pensete foarte fine sub microscop), telecomandata (partial automatizata) care prezinta greutati in realizarea interfetei cu operatorul uman si folosirea statiilor computerizate automatizate, multifunctionale, dotate cu microroboti flexibili.In general la o micromanipulare se intalnesc urmatoarele secvente: apucare si asamblare (1), prindere si transport (2), pozitionare, decuplare, ajustare, fixare la locul potrivit, zgariere si masurarea fortei (3) si pasi de procesare ca: taiere (4), decapare, sapare (5), strangere (6), absorbtie sau pulverizare (7), lipire, indepartaera impuritatilor, etc. (fig. 7.1.9).

Efectuarea acestor operatii necesita microunelte ca: microcutite, microace (pentru fixarea microbiectelor, duze de microdozare pentru lipire, dispozitive microlaser pentru lipire, sudura si taiere, clesti, micropensete, etc. Fig. 7,1.9.Trebuie precizat ca relativ la forfele de interacpune intre microobiecte si microunelte greutatea este neglijabila, pe cand fortele electrostatice si fortele Van-der-Waals sunt importante. De asemenea se mentioneaza ca o problema importanta si totodata dificila este transmiterea informatiei din spafiul micro in spatiul macro (tehnologia din prezent permite cu greu si numai in anumite situatii obtinerea informatiei din spatiul micro). De obicei se foloseste un microscop optic cu lumina stereo, utilizare limitata de distanta dintre obiectiv si masa sondei (10-20 mm) si lungimea de unda a luminii vizibile (pana la 400 nm).O solutie poate fi ca statia de micromanipulare sa fie amplasata in camera vidata a unui microscop electronic cu baleiere [HAT 95].In contextul celor de mai sus se mai precizeaza: productivitatea unui sistem de micromanipulare este redusa in cazul operarii manuale; cresterea productivitatii se poate obtine prin teleoperare si, in etapa urmatoare, prin automatizare; operatia trebuie sa fie perceptibila pentru operator si acesta trebuie sa primeasca corect informatia de procesare; pe langa informatia vizuala este necesara informatia acustica si sesizarea fortei pentru a evita distrugerea microobiectelor (pentru aceasta microuneltele, respectiv. clestii trebuie dotati cu senzori adecvati).Cele mai multe dintre principiile micromanipularii prezentate in acest paragraf cu adaptarile necesare sunt valabile si pentru aplicatiile medicate.1.6. Exemple de microrobotiIn aceasta categoric intra atat sistemele de micromanipulare cat si microrobotii propriu-zisi (mini, micro si nanoroboti).

Schema unui sistem de micromanipulare telecomandat este prezentata in fig. 7.1.10. Componentele principale ale axestui sistem sunt [MIT 93]: operatorul uman(1) modulul de operare (parghia 3D) -(2), monitorul (3), dituzoarele stereo(4),reteaua de calculatoare si unitatea de comunicare (5), unitatea de control si actionare (6) convertorul de semnal forta-sunet (7), elementele de pozitionare grosiera (8) elementele de pozitionare precisa (9), masa probei (10), microscopul optic stereo (11), camera video CCD (12), senzorii de forta multiaxiali (13) si efectorul final (14).Informatiile de la camera video CCD si implicit de la microscop sunt afisjate pe monitor. Semnalele senzorilor de forta sunt transformate in semnale acustice corespunzatoare. Operarea se face cu ajutorul unui joystick. O aslfel de structura, poate avea in zona de pozitionare fina, o rezolutie de 600 m pc axele x si y si de 800 m pe axa z. Sistemul se poate folosi inclusiv pentru microchirurgie, caz in care efectorul final este un instrument chirurgical. Aceasta structura sau structuri derivate au fost realizate in mai multe forme constructive si sunt in continue perfectionare [FAT 99]Din categoria minirobotilor propriu-zisi se da exemplul din fig. 7.1.11.

Minirobotul, realizat la M.I.T. (SUA), are senzori de lumina si poate identifica umbre unde sa se ascunda. Energia este furnizata prin cablu. La dimensiuni si mai mici astfel de roboti ar putea fi trimisi pentru inspectii in corpul uman.O ala varianta de minirobot (realizata de Sandia National Laboratories), acesta este dotat cu senile, un microprocesor de 8k, senzori de temperatura si doua micromotoare electrice, urmand a fi dotat cu o microcamera video si un senzor chimic. Energia este asigurata de doua microbaterii de ceas.O categorie aparte de microroboti sunt nanorobotii.Nanobotii - robotii inteligenti, mai mici decat grosimea unui fir de parUnii oameni se trateaza deja cu ajutorul nanobotilor. Aceste masinarii minuscule intra in organism si vindeca tesuturile. In ciuda faptului ca sunt asa mici, nanorobotii sunt capabili sa fie monitorizati si sa trimita informatii catre un centru de comanda.Ideea de a construi nanoboti dateaza inca din 1959, cand marele fizician Richard Feynman o propune intr-un discurs. Termenul de nanotechnologie apare in 1974, multumita lui Norio Taniguchi, profesor la Universitatea din Tokyo. Domeniul a prins curaj, insa, abia in anii 1980, iar in prezent se afla in plina ascensiune.Un nanorobot este format din:

(fig. 7.1.12.)Cercetatorii de la Universitatea din Cornell au construit un motor biomolecular, folosind o proteina luata de la bacteria Escherichia coli. Nanorobotii, mai mici de 5 ori decat o globula rosie, vor fi introdusi in organism, vindecand bolile inca din fazele incipiente.

(img. 7.1.13)Carbonul ar putea fi elementul principal din care se vor construi nanorobotii, iar pentru diversele componente se vor folosi hidrogenul, oxigenul, azotul si siliciul. In interiorul lui, nanorobotul va avea un mini-computer care va putea realiza peste 1000 de operatii matematice pe secunda. Comunicarea cu acesti roboti minusculi din interior spre exterior si invers se face cu ajutorul semnalelor acustice.

Nanotehnologia se poate aplica in mai multe domenii, cum ar fi: Farmacologia - in care nanobotul are rolul de a transporta substantele medicamentoase in diferite zone ale corpului. Stomatologia - nanorobotii prezenti in cavitatea bucala distrug bacteriile si tartrul. Dermatologia - indeparteaza celulele moarte, reface tesutul cutanat si curata pielea. Imunologie, nanorobotii identifica si distruc virusii si bacteriile. Oncologia - nanorobotii ofera date exacte despre tumora si o distrug inca din faze incipiente.

(img. 7.1.14)Cum functioneaza nanotehnologia?Oamenii de stiinta din Institutul de Tehnologie din California, au observat ca dupa ce nanoparticulele antitumorale identifica celulele canceroase, patrund in interiorul acestora. Apoi se dezintegreaza si elibereaza cantitati de ARN.In prima faza a studiului din cadrul Institutului de Tehnologie din California, doctorii si cercetatorii au administrat pacientilor cu diverse tipuri de tumori, cantitati mici de nanoparticule antitumorale. Pacientii au urmat tratamentul de 4 ori pe zi prin cale intravenoasa, timp de 21 de zile. O sedinta de administrare a nanoparticolelor dureaza 30 de minute.Dupa un timp de la tratament, doctorii au observat ca mostrele prelevate de la pacienti au un rezultat incurajator. Nanoparticulele au reusit sa identifice tumorile canceroase si au reusit cu succes sa se infiltreze in ele. Cercetatorii lucreaza momentan la urmatoarea faza a proiectului, mai precis la cea care presupune vindecarea totala a pacientului.

(img.7.1.15)

2. MICROROBOTICA MEDICALA - PARTICULARITATI.2.1. Microinstrumente chirurgicalePentru microinterventiile chirurgicale cu incizie minimala sunt necesare microinstrumente specializate care pot fi manevrate direct de chirur, dar pot fi atasate si unei structuri robotice. In fig. 7.2. sunt aratate cateva dintre aceste microinstrumente plasate la capatul unor elemente flexibile si dotate cu microsenzori tactili. Acesti microsenzori sunt importanti pentru ca operatorul sa poata avea control asupra fortelor exercitate. In cazul in care microinstrumentele se ataseaza la roboti se pot adauga si alti microsenzori (de exemplu vizuali). Aslfel dc instrumente se folosesc in special in chirurgia cu incizec minima, deja amintita.

(fig.7.2.1)2.2.Endoscoapele active

In plus fata de endoscopul pasiv (furnizeaza o imagine a zonei explorate), endoscopul activ poate efectua anumite operatii. Acesta integreaza astfel mai multe microinstrumentc (cleme, ace, laturi, bisturie, tuburi de clatire/absorbire) pe langa calea optica (care transporta lumina) si camera video.

In fig. 7.2.2 este prezentata schita unui endoscop activ care intr-un tub cu diametrul de 5 mm cuprinde: fibra optica (1), cablul pentru captarea imaginii (2), mai multe microinstrumente (3) si unitatea de actionsare a lor (4). Exista o lentila pentru iluminare (5) fi una pentru rotografiere (6). Segmentele endoscopului sunt interconectate prin elemente metalice cu memoria formei (7) [MlT 91]. Aceste endoscoape pot fi dotate cu cale video si camera video corespunzatoare, cu diversi microsenzori. etc O alta varianta de endoscop activ este aratata In fig. 7.2.3, a. Acesta are urmitoarele componte principale strat protector (I), discuri suport intermediare (2), resort suport (3), cablu din fibra optica (4), canal pentru fluidul de racire (5) si arcurlce (6) tip SMA(Shape Memory Alloy - otel cu memoria formei). Aceasta varianta[ESA 93] are 215 mm lungime, 13 mm diametru, este compus din cinci segmente. Segmentele sunt actionate prin arcuri realizate din otel cu memoria formei cu diametrul de 1 mm si controlate de un microprocesor. Rolul endoscoapelor active in dezvoltarea chirurgiei cu incizie minima este esential. Se preconizeaza ca posibila chirurgia cerebrala, care sa fie realizata printr-o incizie minima in calota craniana prin folosirea unui endoscop special si a unui monitor ceea ce va permite chirurgului sa taie tesuturile cu ajutorul unui microbisturiu.Printre dispozitivele cele mai importante cu care pot fi dotate endoscoapele active sunt microprehensoarele.

In fig. 7.2.3., b1 si b2 sunt aratate doua module de microdegete [ARA 93] dezvoltate pe baza platformei Stewart. Componentele principale sunt: placa fixa de baza (1), placa mobila superioara (2), elementele de actionare piezoelectrice (3), extremitatea degetului (4), imbinarile sferice(5), arcurile (6) si imbinarile sferice flexibile (7).Degetul din figura 7.2.3. b1 foloseste sase elemente piezoelectrice care interconecteaza placile de baza si superioara cu care sunt legate prin articulatii sferice. Pentru asigurarea miscarii continue au fost adaugate arcuri care asigura o stabilitate mai mare. Varianta din fig. 7.2.3 b2 are articulatiile sferice flexibile din otel (5), intre elementele piezoelectrice si cele doua placi care maresc rigiditatea si in consecinta precizia. Extremitatile degetelor sunt ace din otel de 50 mm lungime cu raza la varf de 30 m sau, intr-o varianta imbunatatita, aceste extremitati sunt pipete de sticla cu raza la varf sub 1 m. Elementele piezoelectrice au dimensiunile de 3 mm x 2mm x 8mm. Diametru placii de baza este de 56 mm, al placii superioare de 20 mm, iar distanta dintre placi este de 6,4 mm. Fiecare deget datorita celor 6 elemente piezoelectrice active are 6 de mobilitate (E=6)La o tensiune de 150 V amplitudinea miscarii degetului este de 8 m. Pentru anularea efectului de histerezism (important la astfel de microstructuri), s-a adaugat fiecarui element piezoelectric un control analogic PI.In fig. 7.2.3, c, este arata schita unui microprehensor cu doua degete [ARA 93]. In aceasta figura s-au notat prin: 1- placile fixe de baza, 2- placile superioare mobile, iar prin 3- elementele de actionare piezoelectrice. Microobiectele pot fi manipulate cu precizie de 10 nm, iar doua degete sunt suficiente deoarece gravitatia si momentele de inertie sunt neglijabile in domeniul dimensiunilor micrometrice. MicroprehensoareIe de acest fel pe langa aplicatiile de microchirurgie se pot folosi la asamblarea microsiatemelor, respectiv microrobotilor inclusiv cei medicali, ca si pentru manipularile finale ale celulelor biologice. Printr-o miniaturizare corespunzatoare pot intra in dotarea microrobotilor medicali de interventie.Observatii: Descrierea microdegetelor de mai sus este potrivita pentru a evidentia importanta structurii tip platforma Stewart (mecanism articulat paralel), datorita constructiei compacte ca si preciziei foarte bune pe care o poate avea. Aceste caractristici o recomanda in multe aplicatii de robotica mcdicala atat la dimensiuni macro cat si la dimenaiuni micro.2.3. Microsenzori specializati implantabiliMicrosenzorii, adevarate microstructuri inteligente sunt specifice atat diferitelor microsisteme, cat si, mai ales, microrobotilor. O prima aplicare a acestora este implantarea pentru masurarea unor parametri fiziologici, cum sunt presiunea sanguina, concentratiei ionica, temperatura, precum si doza de radiatii receptata.Exista senzori simpli (pentru un singur parametru) si senzori complecsi (pentru o grupa de parametrii).Principalele caracteristici ale microsenzorilor sunt: dimensiunea submilimetrica, siguranta in functionare si biocomplexitatea.O categorie importanta o formeaza senzori din fibra de sticla, deoarece ar putea fi folositi pentru a urmari in vivo" diversi parametri ai organismului uman.a.Senzorii simpli

Structura generala a unui microsenzor simplu este artat in fig. 7.2.4, conform [ZAC 95].Cipul senzorial (1), cu dimensiuni de ordinul milimetrilor patrati, destinat pentru masurarea presiunii arteriale este format dintr-un senzor propriu-zis de presiune (2) si o interfata telemetrica (3). Interfata primeste energie (4) si transmite date (5) catre unitatea de monitorizare externa (6). Implantarea se face sub piele (7).Un exemplu de microsenzor deja utilizat este cel al unui dozimetru folosit pentru masurarea in timp real a dozei de radiatii receptate de corpul uman in cazul terapiei cu radiatii. Microsenzorul este realizat din doua fibre de sticla, dintre care una este din sticla cu plumb sensibila la radiatii, iar cealalta este folosita ca mediu pentru transferul semnalului. Functionarea se bazeaza pe atenuarea produsa de radiatie in fibra cu lumina, care poate fi detectata la capatul acesteia [BUK 93].b.Senzorii complecsiIn cazul acestor microstructuri cipul senzorial contine senzori de presiune si temperatura, ca si componentele electronice pentru procesarea semnalului (cipul are dimensiunile de 0,7 mm x 7 mm).Se prevede adaugarea unui alt microsenzor pentru masurarea in timp real ai parametrilor sanguini [MOK 93].Microsenzorii complecsi sunt foarte utili in aplicatiile medicale unde mai multi parametri (glucoza, lactoza, creatinina, ureea sau gazele) trebuie masurati in vivo simultan. Aceste sisteme de masura, cunoscute si sub denumirea de biosenzori, sunt evident folositoare pentru diagnostic, supravegherea starii de sanatate si controlul proceselor biologice.Despre biosenzori se mai prezinta cateva elemente pentru o intelegere mai buna a functionarii si, implicit, a utilizarii, avand in vedere perspectiva sigura de folosire pe scara larga pentru monitorizarea starii de sanatate.Pana in prezent se recunoaste existenaa a doua grupe de biosenzori: senzori de metabolism si imuno-senzori.Senzorul de metabolism foloseste, pentru a detecta molecula unei substante, ca biocatalizatori enzime biosenzitive. Pentru identificarea dintr-o solutie, substanta in cauza este transformata chimic, iar un senzor chimic detecteaza si evalueaza dezvoltarea reactiei, indicand concentratia substantei respective.Imunosenzorii se folosesc pentru detectarea dintr-o substanta a moleculelor chimic inactive. Acesti biosenzori au ca elemente biosenzitive anticorpii. Functionarea se bazeaza pe principiul lacatului si al cheii [FAT 99]: la interactiunea cu substanta analizata, pe suprafata senzorului sunt imobilizate molecule de anticorpi (lacat), care formeaza legaturi numai cu o molecula antigen (cheie) din substanta.Prin masurarea (inregistrarea) procesului de formare de legaturi direct (cu un traductor) sau indirect (prin antigene marcate) se poate determina concentratia substantei respective.Pentru exemplificare se descrie structura si functionarea unui biosenzor pentru masurarea concentratiei ureei si penicilinei V, dintr-un lichid [XIE 94].

Structura biosenzorului (fig. 7.2.5) este formata dintr-un cip de cuart (21 x9x0,57 mm3-1), separator de siliciu (2), terminal electric (3), filtru (4), carcasa din plexiglas (5), calea de intrare (6), calea de iesire (7). Mai exista un microcanal (8) si un sant (9). Prin Tx (T0, T1 T2, T3) s-au notat termistorii aranjati la o distanta de 3,5 mm in lungul microcanalului, iar prin Ex (E1 E2) domeniul reactiei enzimatice.In fig. 7.2.6 este exemplificat principiul de functionare al acestui biosenzor.

2.4. Microimplant dozatorPentru administrarea unor substante organismutui uman se pot folosi microimplanturi dozatoare (microsisteme complexe care pot furniza doze exacte dintr-o anumita substanta). Spre exemplificare sc descrie microimplantul dozator realizat de cercetatorii de la Universitatea de Stat din Ohio (colectiv prof. Marc Madon) Acesta are forma unei capsule (fig. 7.2,7) cu lungimea de 2,5 cm si diametrul de 4 mm. Capsula din plastic conductor, are un rand de gauri submilimetrice (l), cu diametre mai mici ca cele ale firelor de par, care pot fi inchise sau deschise de catre un inel muscular artificial (2) realizat dintr-un material plastic gelatinos (hidrogel). Capsula este alimentata cu energie de la o microbaterie (3) care este conectata la un microsenzor (4) ai confine o anumita cantitate (5) de substanta medicamentoasa.

Functionarea consta in urmatoarele faze: daca suportul de plastic transmite un semnal electric, muschii de hidrogel se contracta si gaurile din capsula se deschid eliberandu-se doza exacta de substanta. Semnalul electric provine de la microbaterie

2.5. Microproteze neuronaleIn contextul preocuparilor pentru realizarea celulelor artificiale, care pot fi considerare un fel de microproteze, se integreaza si incercarile de a reface cai neuronale folosind microstructuri artificiale.Pentru exemplificare se descrie o microstructura care sa permita restaurarea unor functii neuronale. Pentru aceasta s-a cercetat implantarea de conexiuni neuronale microstructurale intre nervi periferici regenerativi si componente electronice exterioare.

Microstructura (fig. 7.2.8) are forma unei site si indeplineste rolul unei interfete neuronale.Elementele principale ale microstructurii (microprotezei) sunt; cipul de siliciu cu rol de interims(1), gaurile cu electrozi (2), canalul elastic de gfiidar (3), terminatia nervoasa de legatura (4), axonii (5),axonii regenerati (6) si cablul subtire care face legatura cu dispozitivele exterioare (7) [CIS 91]. Electrozii de inregistrare/stimulare din jurul gaurilor cip-ului interfata, permit inregistrarea si stimularea axonilor individuali pentru a se regenera. Aceste interfete neuronale vor fi utile pentru generatia de proteze senzorial - motorizate. Acestea vor putea face posibil controlul unei proteze prin stimulare electrica functionala. Este posibil cu astfel de structuri trecerea peste zone neuronale nefunctionale, fiind conectate prin structura artificiala zonele neuronale functionale (se pot astfel stimula direct portiunile de corp catre care caile neuronale sunt intrerupte). Semnalele axonului de la cea mai apropiata radacina nervoasa sunt preluate, decodate si procesate de echipamentul electronic exterior, dupa care impulsurile sunt propagate prinir-o interfata de siliciu (ca cea descrisa) la raddcina nervoasa periferica din zona afectata astefel de solutii pot rezolva multiple situatii de handicap datorate intreruperii structurilor neuronale in zone oarecare ale organismului (in special in zona maduvei spinarii)..

2.6.. Microroboti medicali de investigare, transport si de interventieAcesti microroboti medicali sunt poate cele mai complexe microstructuri robotice cu care insa, se spera obtinerea unor rezultate, chiar, spectaculoase intr-un viitor nu foarte indepartat.Structura unui microrobot medical este formata dintr-un modul energetic, dintr-un modul de deplasare, dintr-un modul de lucru, respectiv, de interventie si dintr-un modul electronic de control si comanda.Modulul energetic asigura energia necesara functionarii (de regula energie electrica furnizata de microbaterii).

Modulul de deplasare asigura deplasarea microrobotului care poate fi pasiva sau active. Deplasarea pasiva se realizeaza prin antrenarea microrobotului de diverse substante gazoase, lichide sau semisolide care circula in organism. Deplasarea activa poate fi indirecta, cand este realizata de la distanta (prin cablu sau un camp de forte - camp magnetic), sau directa, cand se obtine printr-un mijloc de propulsie propriu.Modulul de lucru poate fi de investigate (cand este dotat cu o camera video), de transport (cand este un rezervor ce contine o anumita doza de substanta medicamentoasa), sau poate fi de interventie (cand este dotat cu microinstrumente, inclusiv microprehensoare cu care se poate interveni asupra tesuturilor). Acest modul poate fi simplu (poate indeplini o singura activitate) sau complex (poate indeplini mai multe activitati).Modulul de control fi comanda asigura: controlul functionarii microrobotului folosind microsenzori specifici, legatura cu unitatea centrala exterioara si comanda functionarii in urma procesarii informatiei sau semnalelor primite de la unitatea centrala exterioara.Particularitatile constructive ale acestor module sunt similare cu ale modulelor corespunzatoare din componenfa microsistemelor.Functional, microrobotii medicali pot indeplini activitati de investigare, de transport sau de interventie asupra tesuturilor. Exista microroboti care pot realiza un singur tip de actiune si microroboti care pot itndeplini mai multe activitati (in varianta cea mai complexa: investigare, transport si interventie).Microrobotii se pot deplasa in organism pe caile magistrale (ale aparatului respirator, ale aparatului digestiv, ale aparatului circulatorprin aorta sau venele cave), sau in spatiile mai mici (din zona aparatului auditiv, unele zone ale aparatului vizual), iar in viitor, la un grad mai mare de miniaturizare, ar putea sa pstrunda in structurile organelor interne si structuriie tesuturilor (de exemplu tesuturile musculare).Ca urmare, acesti microroboti pot furniza imagini din zone inaccesibile, prin alte metode (ca cele endoscopice), ale intestinului subtire, anumite parti ale sistemului circulator etc., pot transporta doze de medicamente in zonele tinta sau pot executa interventii cu ajutorul microinstrumentelor de care dispun (de exemplu distrugerea unei tumori maligne in stare incipienta).In functie de sarcinile indeplinite exista: microroboti de investigare, microroboti de investigare si transport si microroboti de investigare, transport si interventie. Dintrc acestia primii sunt deja operationali, iar ceilalti sunt in diferite faze de concepte, fabricare sau testare.Evident ca in functie de sarcinile pe care le au de indeplinit structura este adapta corespunzator.

a. Microroboti de investigareInvestigarea cu acesti roboti pe langa accesul in zone de unde nu se pot culege informatii cu alte metode (endoscoape, substante optic active etc.) are avantajul sa furnizeze imagini din imediata vecinitate a structurilor vizate aspect foarte important pentru aprecierea corecta a situatiei si punerea diagnosticului

In fig. 7.2.10 estc prezentat un microrobot de investigare (distribuit in Marca Britanie de firma Diagmed, incepand din anul 2002). Acesta are forma unei capsule cu lungimea de 25 mm si diametrul de 10 mm, avand urmatoarele parti componente: blocul energetic (1) format din doua microbaterii, microcamera video color microcip (2), lentila (3), fereastra lentilei (4), domul optic (5), sursa de lumina (6) a unor micro LED-uri, antena (7) si releul de emisie (8). Bateriile asigura energia electrica necesara LED-uri lor, camerei video si procesului de receptie a comenzii de start si a transmiterii imaginilor video.Acest microrobot capsula este destinat inspectarii, in special, a intestinului subtire.Capsula este inghitita si se deplaseaza odata cu desfasurarea procesului de digestie. Dupa ce a ajuns in intestinul subtire camera video este activata si pot fi luate mii de imagini color ale continutului peretilor din jurul ei. Imaginile sunt transmise cu ajutorul emitatorului propriu la unul exterior atasat la un dispozitiv de stocare purtat la o centura pe toata durata testului. In orice moment dupa incetarea transmiterii, aproximativ zcce ore capsula fiind deja in intestinul gros (colon) imaginile din dispozitivul de stocare pot fi descarcate intr-un calculator special unde ele sunt analizate de catre doctor. In timpul testului pacientul isi desfasoara activitatea normal. Microcapsula dupa un timp este eliminata natural si este nereutilizabila.Microrobotul poate fi folosit la diagnosticarca colicilor, intelegerii durerilor abdominale, depistarii tumorilor intestinale, anemiilor cauzate de deficituI de fier si hemoragiilor interne. Se pot depista astfel multiple afectiuni aparute in intestin pana la extinderea lor la colon, unde pot fi mai usor de diagnosticat dar poate prea tarziu.Perspectivcle acestor microroboti sunt foarte incurajatoare.b. Microroboti de transportAcesti microroboti pot transporta o anumita cantitate dintr-un medicament la o anumita zona tinta unde o livreaza integral sau in doze succesive.Un exemplu de astfel de microrobot este asa denumita pilula torpila descrisa in lileratura de specialilate si care este destinata tratarii infectiilor intestinale.Microrobotul are 2 cm lungime si in jur de 1 cm in diametru si este alcatuit din urmatoarele componente principale un container pentru medicament, un dispozitiv de eliberare a medicamentului, o antena si un eventual emitator. lnvelisul exterior este rezistent la actiune acidului gastric. Deplasarea estc pasiva, prin alimente. Microrobotul pilula este urmarit in tip ce se deplaseaza pe un monitor care primeste informatii de la un dispozitiv de detectare cu ultrasunet sau raze X.c.Microroboti de interventieAcestea sunt cele mai complexe microstructuri robotice si pe langa functia de interventie pot avea functie de investigare si/sau functie de transport. Microrobotii medicali de acest fel au, de obicei, surse proprii de propulsie sau sunt dirijati indirect din exterior. Un exemplu pentru aceasta categorie de microroboti este aratat in figura de mai jos.

Structura acestui microrobot este formats din: 1 - sursa de energie (microbaterii), 2 - unitatea de amplificare, 3 - depozitele de medicamente, 4 - microvalvele, 5 - unitatea senzoriala, 6 - microaparatul de extractie probe, 7 - tuburile de evacuare a medicamentelor. Microrobotul are forma unei microtorpile cu 10 mm lungime si 5 mm in diametru.^Microrobotul are de indeplinit doua functii: transportul unor medicamente si recoltarea unor esantioane de tesut pentru a ft supuse unei analize detaliate. Deplasarea este controlata din exterior. Cand ajunge in zona de destinafie este comandata eliberarea unui anumit medicament ( fiecare container poate contine un medicament diferit sau doze din acelasi medicament). Eliberarea medicamentului se obtine prin deschiderea microvalvelor. De asemenea din zona prestabilita se poate extrage o mostra de tesut cu ajutorul dispozitivului dispus in partea frontala a microsistemului. Semnalele de comanda de la unitatea centrals exterioara ca i informatiile privind situatia locals sunt receptate si transmise mai departe de unitatea senzorialaVariante ale unor astfel de roboti pot fi folosite chiar pentru operatii microchirurgicale. Ajungerea la organele bolnave se va face prin utilizarea vaselor de singe (arterelor si venelor) pentru deplasare, tehnica denumita engioplastie [FAT 99).

O analiza succinta a evolupei structurilor biologice ne arata ca din cele doua directi posibile (gigantism si miniaturism), dupa o scurta experimentare a celei dintai, culminand cu structurile biologice uriase de tipul dinozaurilor, aceasta a fost abandonata. Parcurgerea celei de a doua directii a permis aparitia materiei superior organizate a creierului si echiparea sa cu subsistemele necesare unei activitati complexe de supravietuire si lucrative in mediul natural. Este rezonabil sa se estimeze ca aceasta situatie se va mentine si in viitor pe baza presupunerii ca s-a ajuns la un echilibru optim intre caracteristicile structurii umane (antropometrie, capacitati de deplasare, capacitati de procesare a substantelor si informatiei, posibilitati de interventie asupra elementelor inconjuratoare inclusiv prin crearea de structuri artificiale, etc.) si caracteristicile naturale (acceleratia gravitationala, alternanta zi noapte, caracteristicile campului magnetic terestru, clima si factorii climatici, procesele naturale de generare si procesare a substantelor, echilibrul general intre substantele gazoase, lichide si solide, adaptarea la spatiul limitat al planetei pe masura cresterii numarului de indivizi ai diferitelor populatii naturale (v. tehnica bonsai), factorii interplanetari si cei derivati din particularitatile pozitiei si miscarii planetei in relatie cu Soarele etc.). Daca tendinta de miniaturizare se va mentine nu este lipsita de interes estimarea limitelor acesteia. Miniaturizarea naturala probabil va continua prin evolutia speciilor in acest sens, paralel cu dezvoltarea materiei cerebrale sub aspectul marimii, dar si prin cretterea complexitatii proceselor posibile. Daca aglomerarea materiei cerebrale se poate presupune ca va fi lenta, posibilitatea cresterii complexitati proceselor cerebrale poate fi accelerata sau stimulate. Aceasta se poate face prin extinderea capacitatilor senzoriale prin solutii artificiale si prin utilizarea rezervelor latente (in asteptare) ale creierului, prin tehnici de accesare si punere in valoare de tipul realitatii virtuale. Pentru ambele direcpi cercetarile de anatomie, fiziologie, psihologie etc., pe de o parte, ca si cele de mecatronica, electronica, robotica, microrobotica si nanorobotica etc., pe de alta parte, sunt esentiale. In concluzie, miniaturizarea naturala este aproape stabilizata si pe punctul de a face jonctiune cu miniaturizarea artificiala, prin tehnicile de manipulare si sinteza a structurilor celulare si de la acestea a celor multicelulare similare cu cele naturale.

Bibliografia: nume prenume, opera, editura, locul, an. Ionel Staretu, Elemente de robotica medicala si protezare, editura Lux libris, Brasov http://journals.cambridge.org/action/displayJournal?jid=ROB http://www.sciencedaily.com/terms/nanorobotics.htm http://www.agir.ro/buletine/305.pdf

Trifanica MariaBFKTAN: IIIGRUPA: 533