Automated design of a scalable, additively manufactured robot system for microinvasive interventions in visceral medicine

• Applicants: Professor Dr. Tim C. Lüth; Professor Dr. Alexander Meining
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics ; Medical Physics, Biomedical Technology
• Term: from 2011 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 136437427

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Im Zuge dieses Forschungsprojekts als interdisziplinäre DFG-Forschergruppe war es uns möglich, die internationale Grundlagenforschung im Bereich softrobotischer, additiv gefertigter Roboterstrukturen im Anwendungsfeld der minimalinvasiven Chirurgie entscheidend voranzutreiben und die erarbeiteten, vielversprechenden Forschungsergebnisse zu publizieren. Die Systemstruktur und der automatisierte Entwurf der monolithischen, lasergesinterten SPOT Manipulatorstrukturen konnte in Kombination mit den entwickelten, rein mechanischen Ansteuerungskonzepten anhand von endoskopischen SPOT-DMAN Manipulatorvarianten gezeigt werden, die mittels variierenden gastroenterologischen ex-vivo Eingriffsszenarien evaluiert wurden. Für die monolithischen Grundstruktur der Manipulatoren, welche auf selektiv lasergesinterten Festkörpergelenkketten basiert, konnte eine ausreichend Robustheit der dünnwandigen Strukturen gegenüber Dauerbelastung vor dem Hintergrund eines Einsatzes als Einweg-Manipulatoren nachgewiesen werden. Die Einsetzbarkeit in robotischen SPOT-EMAN Systemvarianten auf Basis der realisierten elektrischen Ansteuerungskonzepte konnte in diesem Zusammenhang auch grundsätzlich verifiziert werden. Die erste Evaluierung der telemanipulierten, endoskopischen SPOT-EMAN Systemvariante konnte anhand von erfolgreich durchgeführten endoskopischen Submukosadissektionen (ESD) im exvivo Versuch am explantierten Schweinemagen gezeigt werden. Das Gesamtkonzept der SPOT Operationsplattform konnte vollumfänglich vorgestellt werden. Das Grundkonzept und der automatisierte Entwurf der im Zuge des Forschungsprojekt entwickelten monolithischen „Shape Memory“ Strukturen, als Entwurfskonzept für softrobotische Manipulatoren mit vordefinierten Endposen, wurde erfolgreich publiziert. Besonders erfreulich in Bezug auf diese grundlegenden Forschungsergebnisse im Bereich der Softrobotik war zudem die Veröffentlichung unter Nennung des DFG-Forschungsprojekts auf der Titelseite des renommierten Soft Robotics Journals (Volume 6, Number 2, April 2019, Mary Ann Liebert).

Publications

• (2017) “Fatigue Strength of Laser Sintered Flexure Hinge Structures for Soft Robotic Applications” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2017), Vancouver, Canada, September 24–28, 2017
  Krieger, Y.S.; Kuball, C.-M., Rumschoettel, D.; Dietz, C.; Pfeiffer, J.H.; Roppenecker, D.B. and Lueth, T.C.
  
• (2017) “Multi-Arm Snake-Like Robot.” IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2017), Singapore, May 20 - June 03, 2017
  Krieger, Y.S.; Roppenecker, D.B.; Kuru,I.; Lüth, T.C.
  
• (2018): "Electronic Control Concept for Surgical Manipulators Generated Using an Automated Design Process". 2018 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2018), Kuala Lumpur, Malaysia, 12. - 15.12.2018
  Krieger, Y.; Walter, B. M.; Pfeiffer, J. H.; Thalhofer, T.; Meining, A.; Lueth, T. C.
  
• (2019) "Mechatronic Support System for NOTES and Monoport Surgery-A New Approach," Surgical Technology International, 34, 23-29
  Feussner, H.; Krieger, Y.S.; Wilhelm, D.; Brunner, S.; Ostler, D.; Meining, A.; Lueth, T.C.
  
• (2019) “Improved endoscopic resection of large flat lesions and early cancers using an external additional working channel (AWC): a case series.” Endoscopy International Open, 2019 Feb;7(2):E298-E301
  Walter B, Schmidbaur S, Krieger Y, Meining A
  
• (2019) “Shape Memory Structures - Automated Design of Monolithic Soft Robot Structures with Pre-defined End Poses” IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2019), May 20-24, 2019 Montreal, Canada
  Krieger, Y.S.; Schiele, S.; Detzel, S.; Dietz, C.; and Lueth, T.C.
  
• (2019) „Verbesserte bi-manuelle endoskopische Resektion durch einen individualisierbaren Overtube-Manipulator für Standard-Endoskope" Zeitschrift für Gastroenterologie 2019; 57(09): 345 - 345
  Walter, B.; Krieger, Y.; Lüth, T.C.; Meining, A.
  
• (2020) "Evaluation of long-term stability of monolithic 3D-printed robotic manipulator structures for minimally invasive surgery" International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 2020 (IJCARS)
  Krieger, Y.S.; Ostler, D.; Rzepka, K.; Meining, A.; Feussner, H.; Wilhelm, D.; Lueth, T.C.
  
• (2021) „Automatisierter Entwurf von additiv gefertigten monolithischen Manipulatorstrukturen für die minimalinvasive Chirurgie.” Dissertation, TU München, Fakultät für Maschinenwesen (2021)
  Krieger Y.S.
  
• (2021): „Evaluation of improved bi-manual endoscopic resection using a customizable 3D-printed manipulator system designed for use with standard endoscopes: a feasibility study using a porcine ex-vivo model“, Endoscopy International Open, 2021; 09
  Walter B., Krieger Y.S., Wilhelm D., Feussner H., Lueth T.C., Meining A.