Biologisch inspirierte mikrotechnische Werkzeuge für die Mikromontage und die Minimal-Invasive Chirugie

Qiao, Feng

Developing Microtechnical Tools with Bionic Inspiration for Micro Handling System and Minimally Invasive Surgery "Nature finds the shape". The constructive properties of life beings have been developed during evolution through millions of years. Bionics connects the biology and techniques and presents engineering designer with a methodological and functional solution derived from a biological system. There have been more and more micro components developed in the micro system technology (MST). Combining different components to form one hybrid system turns to be the next goal. Thus handling and manipulation of these micro components become crucial. Bionic draft in the gripping and manipulation techniques provides an application-oriented extension of gripper construction. Mouth tools of invertebrates (e.g. insects) offer stimulation for the construction of gripper mechanism and gripper tip form. They are flexible and easy to be used in the micro system because of the comparable dimensions. A micro gripper has been constructed after a biological model and produced with MST technology. Compliant mechanism was used for the construction of movement transmission. For the fabrication, glass technology was chosen, due to its advantages for realising mechanical designs against silicon technology. Photosensitive glass was used for the fabrication. Micro gripper with linear gripping force vs. displacement characteristics was fabricated. Thick glass technology has been developed. With stream enhanced etching method thick structures with 1° slope angle in 2mm thick glass could be fabricated. Based on thick glass technology gripper with piezo-stack actuator was developed. With FEM the construction of flexible hinges was optimised. Gripping range of 2x400µm could be realised. Again, following the wing construction of a leafbug (Graphosoma spec.), flexible hinges made of silicon rubber have been used for movement transmission in micro gripper, which enlarges the motion range and also reduces the mechanical stress. Tests with different amount of silicon show that the stiffness could be controlled by the amount of silicon rubber in the flexible joint. Sensing ability is very important in the gripping process. The technological possibility to enable gripper, made of glass, sensibility was investigated. One smart method of combining resonant vibration and "self-sensing" effect of piezoelectric ceramics brings another solution. The minimally-invasive medicine has remarkable advantages against traditional surgical methods. It produces small wounds, less tissue injury and ache, much less blood loss and brings quicker recovery. In the minimally-invasive intervertebral disk surgery it often needs to cut small amount of freely hanged tissues. Available surgical tools have high requirements at manual skill of the surgeon. Leaf-cutting ants (Atta sexdens) provide the solution. This type of ants cut leaves with oscillating mandibles. They oscillate in certain frequency range, which leads to quick and smooth cutting. This principle, vibration sawing, can be used for developing micro surgical tools, and can also realise a selective cutting with sparing of adjacent nerves. Energy could be transmitted in vibration through conductor from a source outside the human body to the operation site. For the transmission of ultrasonic vibration normally metal conductor is used, but it has the shortage of being rigid. One alternative is the glass fiber, which realize transmitting light for observation and at the same time the transmission of ultrasonic vibration for mechanical cutting. On the glass fiber, micro saws with depth of 50 µm and interval of 150µm were fabricated. One sort of fluidic metal, Galinstan, was chosen as alternative ultrasonic conductor due to the impedance matching. Construction of micro tool for minimally-invasive surgery is given. It can close its two arms to object and oscillate at the same time to realise cutting task.

"Natur findet die Form". Die konstruktiven Eigenschaften und Funktionsprinzipien der Lebewesen wurden in Millionen Jahren Evolution durch Spezialisierung erworben. Bionik verbindet so die Biologie mit der Technik und gibt als Methode der Umsetzung von Funktionsprinzipien biologischer Systeme dem Konstrukteur eine von der Evolution begründete Logik in die Hand. In der Mikrosystemtechnik ist eine Vielfalt von Mikrokomponenten entwickelt worden. In der Kombination verschiedener Mikroteile zu einem hybriden System besteht das nächste Forschungsziel. Das Manipulieren dieser Mikrokomponenten ist eine der Schlüsseltechnologien für die weitere Systemintegration. Die Einbeziehung bionischer Entwurfskriterien in die Greifer- und Manipulationstechnik stellt anwendungsorientierte Erweiterungen der Greifer-Grundstruktur nach dem Vorbild biologischer Systeme bereit. Mundwerkzeuge von Wirbellosen bieten in ihrer modellhaften Abstraktion Anregungen für die Konstruktion des Greifmechanismus und der Greifer-Wirkflächengestaltung. Sie sind - unter Maßgabe der Spezifik der Mikrodimension - störungstolerant und nachgiebig. In der Mikrosystemtechnik werden die monolithischen Getriebe durch nachgiebige Mechanismen realisiert. Glastechnologie mit fotoempfindlichem Glas, FOTURAN, wurde gewählt für die Fertigung des Greifers. Ein Mikrogreifer mit linearer Kraft-Auslenkung-Kennlinie wurde hergestellt. Ein strömungsunterstütztes Ätzverfahren wurde entwickelt, mit dem tiefe Strukturen mit einer Wandneigung von ca. 1° in 2mm Glas realisiert wurden. Auf der Basis der 2mm-Glastechnologie wurden Greifer mit Piezostapel-Aktuatoren entwickelt. Der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) ermöglichte die Optimierung der Gestaltung von mikrostrukturierten Festkörpergelenken für die Realisierung einer großen Auslenkung mit möglichst reduzierter mechanischer Spannung. Ein Greifweg von 2(400µm konnte von den beiden Greifarmen realisiert werden. Nach dem Prinzip der Flügelkopplung einer Wanze (Graphosoma spec.) wird Silikon-Elastomer eingesetzt, um die Funktionsteile durch ein elastisches Gelenk zu verbinden. Damit wird der Bewegungsbereich der Funktionsteile, unter Verminderung der Bruchgefahr, wesentlich größer. Mit "Fingerspitzengefühl" kann der Mikrogreifer unter Ausnutzung vom "self-sensing"-Effekt des piezokeramischen Antriebs versehen werden - eine integrierte Sensorik, die bei der Detektion und Regelung des Greifvorganges anwendbar ist. Minimal-Invasive Chirurgie hat gegenüber den traditionellen Eingriffsmethoden eindeutige Vorteile: kleinere Wundflächen, geringere Gewebeverletzung und kürzere Rekonvaleszenzdauer. In der Minimal-Invasiven Chirurgie ist es oft notwendig, überständiges Gewebe hochpräzise zu zertrennen. Zur Zeit verfügbare Werkzeuge stellen hohe Anforderungen an die manuellen Fähigkeiten der Ärzte. Eine Lösung findet sich im Prinzip der Blattschneiderameise Atta sexdens. Sie durchtrennt Pflanzenblätter mit einer oszillierenden Kieferbewegung und die hochfrequente Translation der Mandibelkanten trägt zu einem effizienten und glatten Schneiden bei. Das Prinzip von Vibrationssägen wurde für die Konstruktion von MIC-Werkzeuge benutzt. Es führt auch zu einem selektiven Trennen, bei dem die umgebenden Gewebe geschont werden können. Glasfaser und ein Wellenleiter aus flüssigem Metall "Galinstan" wurden benutzt, Energie zu transportieren. Die Konstruktion für MIC-Werkzeuge wurde angegeben. Enerseits wird der Effektor von der durch den flexiblen Wellenleiter übertragenen Schallenergie getrieben, zu oszillieren; gleichzeitig realisiert der Effektor die Bewegung, sich dem zu sägenden Objekt zu nähern.

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Qiao, Feng: Biologisch inspirierte mikrotechnische Werkzeuge für die Mikromontage und die Minimal-Invasive Chirugie. 2003.

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