Locomotion of small-scale magnetic robots in biological environments

Abstract

Recent advances in small-scale robots for biomedical applications have demonstrated significant potential by using optimized wireless actuation schemes. One of the most promising modalities is magnetics due to advantages in controllability, large force transmission, and negligible effects on biological tissues. However, many approaches may not be suitable for the challenges imposed by biological environments such as viscous media, constrained spaces, and low-friction surfaces. The overall goal of this thesis is to develop millimeter-scale robots capable of actively operating in complex biological environments to perform biomedical tasks. Two major research questions are investigated to address the challenges: the development of suitable magnetic actuation schemes as locomotion modalities to perform biomedical tasks at a human-relevant scale and the design of structural features to enable locomotion in narrow lumens. To address the first research questions to overcome the challenges imposed by biological environments, two permanent-based magnetic actuation set-ups are designed and built for controlling the robots. The set-up for TwistBot consists of four specially arranged identical permanent magnets, which rotate about the same axis at a given frequency to generate a homogeneous rotating magnetic field of approximately 54 mT in the working volume of 15 mm x 15 mm x 15 mm. Finite element simulations are used to model the superimposed magnetic field, which is then verified by experimental results. Another magnetic actuation set-up possesses a larger accessible volume. It consists of a pair of static magnets and one rotating magnet, which is customizable for adjusting the magnetic field strength and offers two degrees of freedom. It generates a magnetic field of approximately 6 mT within a working volume of ∅50 cm x 28 cm. The resulting magnetic field is modeled analytically to estimate the robot's motion, which is further verified through finite element simulations. The analytical solution can be utilized to optimize and adapt the robot’s motion on different surfaces by calculating the magnetic field distribution with less computational resources. To tackle the second research questions, two distinct locomotion strategies are explored: swimming-based propulsion, demonstrated by TwistBot for efficient movement in viscous fluids, and crawling-based locomotion, employed by GearBot, TrainBot, and BipedBot, which rely on surface interaction to navigate biological environments. While magnetic helical small-scale robots are well known for their efficiency in viscous fluids, fabricating such helical structures without complex machinery remains challenging. The unique shape-transforming capability of TwistBot not only facilitates propulsion through narrow lumens but also enables it to carry and deliver solid cargo to target locations. However, in biological environments, the presence of slippery mucus layers can cause robots to slip uncontrollably during propulsion. To overcome this limitation, BipedBot utilizes sharp spikes to anchor onto biological tissues, allowing it to carry loads up to four times its weight while deploying liquid cargo to target locations. Similarly, GearBot, with its gear-shaped 3D-printed structure, is designed to traverse complex trajectories and narrow lumens on biological tissue phantoms. Despite these capabilities, a single robot may lack sufficient propulsion force on slippery biological tissues to transport heavy medical instruments, such as catheters or electrosurgical electrodes. To overcome this limitation, TrainBot demonstrates a cooperative crawling strategy, where multiple small-scale robots work together to navigate narrow lumens, providing enhanced friction and controllability. For the first time, it is shown that a convoy of robots is capable of successfully performing electrocauterization in an obstructed bile duct to create a tunnel for fluid drainage and drug delivery. Jüngste Fortschritte bei kleinskaligen Robotern für biomedizinische Anwendungen haben durch die Nutzung von optimierten kabellosen Fortbewegungssystemen erhebliches Potential aufgezeigt. Eine der vielversprechendsten Modalitäten ist Magnetismus aufgrund der Vorteile in Bezug auf Kontrollierbarkeit, großer Kraftübertragung und vernachlässigbaren Effekten an biologischem Gewebe. Viele Herangehensweisen sind jedoch für die Herausforderungen, die durch biologische Umgebungen, wie viskose Medien, eingeengte Hohlräume sowie reibungsarme Oberflächen, nicht geeignet. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung von millimetergroßen Robotern, die zum aktiven Betrieb in komplexen biologischen Umgebungen zur Durchführung von biomedizinischen Aufgaben fähig sind. Zwei Hauptaspekte werden untersucht um die Herausausforderungen zu thematisieren: Die Entwicklung von geeigneten magnetischen Fortbewegungsmodalitäten um biomedizinische Aufgaben auf für Menschen relevanter Größenordnung durchzuführen und die Gestaltung von strukturellen Eigenschaften zur Befähigung von Bewegung in engen Lumen. Zur Thematisierung des ersten Aspekts zur Bewältigung der Herausforderungen durch biologische Umgebungen werden zwei magnetische Systeme basierend auf Permanentmagneten zur Kontrolle von Robotern entworfen und konstruiert. Das System für den TwistBot besteht aus vier identischen Permanentmagneten mit spezieller Orientierung, die sich mit einer bestimmten Frequenz um die gleiche Achse drehen, um ein homogenes rotierendes Magnetfeld mit ungefähr 54 mT in einem Bereich von 15 mm x 15 mm x 15 mm zu erzeugen. Finite-Elemente-Simulationen werden verwendet, um die überlagerten Magnetfelder zu modellieren und anschließend mit experimentellen Ergebnissen zu verifizieren. Ein weiteres magnetisches Fortbewegungssystem besitzt einen größeren zugänglichen Bereich. Dieses besteht aus einem statischen Magnetpaar und einem rotierenden Magneten, der die Justierung der Magnetfeldstärke erlaubt und zwei Freiheitsgrade besitzt. Das System erzeugt ein Magnetfeld von ungefähr 6 mT in einem Arbeitsbereich von ∅50 cm x 28 cm. Das entstehende Magnetfeld wird zur Abschätzung der Roboterbewegung analytisch modelliert, welche anschließend durch Finite-Elemente-Simulationen bestätigt wird. Die analytische Lösung kann zur Optimierung und Anpassung der Roboterbewegung auf verschiedenen Oberflächen, durch die Berechnung der Magnetfeldverteilung mit reduziertem Rechenaufwand, verwendet werden. Zur Bewältigung des zweiten Aspekts werden zwei bestimmte Fortbewegungsstrategien untersucht: Antrieb durch Schwimmen, was durch den TwistBot für effiziente Bewegung in viskosen Flüssigkeiten demonstriert wird, und Fortbewegung durch Krabbeln, verwendet von dem GearBot, TrainBot und BipedBot, die auf Oberflächenkontakt zur Navigation durch biologische Umgebungen angewiesen sind. Während magnetische, helixförmige und kleinskalige Roboter für ihre Effizienz in viskosen Flüssigkeiten bekannt sind, bleibt die Herstellung derartiger Strukturen ohne komplexe Gerätschaften anspruchsvoll. Die einzigartige Verformbarkeit des TwistBot erleichtert nicht nur die Fortbewegung durch enge Lumen, sondern ermöglicht auch den Transport von fester Ladung zum Zielbereich. In biologischen Umgebungen kann die Gegenwart von rutschigem Mukus jedoch zu unkontrolliertem Gleiten während der Bewegung führen. Um diese Einschränkung zu überwinden, benutzt der BipedBot scharfe Spitzen, um sich an biologisches Gewebe anzuheften, wodurch der Transport von Ladungen bis zum vierfachen des Eigengewichts während der Verteilung von flüssiger Ladung an dem Zielbereich ermöglicht wird. In ähnlicher Weise ist der GearBot, mit seiner zahnradartigen 3D-gedruckten Struktur, konzipiert, um komplexe Pfade und enge Lumen auf biologischen Phantomgeweben zu durchlaufen. Trotz dieser Fähigkeiten, könnte ein einzelner Roboter nicht ausreichend Bewegungskraft auf rutschigem biologischem Gewebe erzeugen um schwere medizinische Instrumente, wie Katheter oder elektrochirurgische Elektroden, zu transportieren. Um diese Einschränkung zu überwinden, demonstriert der TrainBot eine kooperative Strategie zum Krabbeln, wobei mehrere kleinskalige Roboter zusammenarbeiten und dadurch verbesserte Reibung und Kontrollierbarkeit zur Navigation durch enge Lumen erreichen. Zum ersten Mal wird gezeigt, dass ein Konvoi von Robotern dazu in der Lage ist, erfolgreich eine Elektrokauterisation in einem blockierten Gallengang durchzuführen, um einen Tunnel zur Flüssigkeitsdrainage und Medikamentenverabreichung zu erzeugen.