Intracorporeal Robotics: From Milliscale to Nanoscale

200 Pages·2014·8.214 MB·English

by  Michael Gauthier, Nicolas Andreff, Etienne Dombre

IntracorporealRobotics

Intracorporeal
Robotics
From Milliscale to Nanoscale
Michaël Gauthier
Nicolas Andreff
Etienne Dombre
Firstpublished2014inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
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©ISTELtd2014
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LibraryofCongressControlNumber: 2013957115
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN978-1-84821-371-5
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Chapter1.IntracorporealMillirobotics. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1.Partiallyintracorporealdeviceswithactive
distalmobilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2.Intracorporealmanipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3.Intracorporealmobiledevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.Scientificissues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.1.Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2.Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3.Actuationandtransmission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.4.Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.5.Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.Examplesofdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.1.TheroboticplatformoftheAraknesproject . . . . . . . . . 39
1.4.2.Asnake-likerobotmadeofconcentric
super-elastictubes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.4.3.MICRON:ahandheldrobotizedinstrument
forophthalmicsurgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.5.Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Chapter2.IntracorporealMicrorobotics. . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.Novelparadigmsforintracorporealrobotics. . . . . . . . . . . . 56
vi IntracorporealRobotics
2.2.1.Classificationofintracorporealrobots. . . . . . . . . . . . . 56
2.2.2.Physicalprinciplesinuseatmicroscale. . . . . . . . . . . . 57
2.3.Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.1.Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.2.Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.3.Actuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3.4.Sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.5.Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.4.Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.4.1.Magneticallyguidedcatheters . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.4.2.Distaltipmobilityforendoluminal
microphonosurgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.4.3.Autonomousactivecapsules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.4.4.Magneticallyguidedcapsules. . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Chapter3.InvitroNon-ContactMesorobotics . . . . . . . . . . . . . 109
3.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2.Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2.2.Lasertrapping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.3.Electrostaticprinciples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.3.Scientificchallenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.1.Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.2.Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.3.3.Perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3.4.Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.Experimentaldevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.1.Lasertrapping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.2.DEPsystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Chapter4.TowardBiomedicalNanorobotics. . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.Applicativechallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.1.Invitroapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.2.Nanoassemblyforbiomedical
applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.1.3.Invivoapplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
TableofContents vii
4.2.Scientificchallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.2.1.Newparadigmremovingfrontiers
betweensciences. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.2.2.Energysources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2.3.Howfarawayisthisfuture?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183