Actuador hidráulico blando para navegación de catéteres: Diseño, simulación y fabricación de primeros prototipos

Abstract

[Resumen] Los actuadores blandos, es decir, los fabricados con materiales altamente deformables, tienen un gran potencial en aplicaciones biomédicas, debido principalmente a su bajo coste y peso, reducido tiempo de respuesta, facilidad de fabricación, alto grado de maniobrabilidad que ofrecen y seguridad en términos de biocompatibilidad. El objetivo de este proyecto es desarrollar un catéter robótico a pequeña escala con una punta dirigible para realizar cirugías cardiacas. Como primer paso para validar el concepto, este trabajo se centra en el diseño de un actuador hidráulico blando para controlar la dirección de la punta del catéter. Las simulaciones por elementos finitos permiten predecir con precisión el complejo comportamiento de los materiales hiperelásticos, lo que facilita el diseño y la optimización del uso de materiales. En este trabajo se emplean simulaciones en COMSOL Multiphysics para, por un lado, conocer cómo evoluciona el actuador bajo las deformaciones tridimensionales y, por otro, optimizar la geometría del actuador en términos de desplazamiento de la punta para una presión determinada. Asimismo, se describe el método de fabricación de los primeros prototipos.

[Abstract] Soft actuators, i.e., those made of highly deformable materials, have great potential in biomedical applications, mainly due to their low cost and weight, reduced response time, ease of fabrication, high degree of maneuverability and safety in terms of biocompatibility. The objective of this project is to develop a small-scale robotic catheter with a steerable tip to perform cardiac surgery. As a first step to validate the concept, this work focuses on the design of a soft hydraulic actuator to control the direction of the catheter tip. Finite element simulations allow accurate prediction of the complex behavior of hyperelastic materials, which facilitates design and optimization of material usage. In this work, simulations in COMSOL Multiphysics are used to understand how the actuator evolves under three-dimensional deformations and to optimize the actuator geometry in terms of tip displacement for a given pressure. The manufacturing method of the first prototypes is also described.