Caractérisation du Coefficient de Frottement Entre un Robot Capsule et le Colon

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Caractérisation du coefficient de frottement entre un robot capsule et le côlon

Introduction

Bien que la coloscopie traditionnelle soit efficace pour détecter l’état de santé du côlon, elle est hautement invasive, provoquant souvent de l’inconfort et des complications potentielles. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une classe de robots capsules (Capsule Robot, CR) avec un mécanisme de mouvement actif, espérant réaliser des examens du côlon à faible invasivité. Cependant, pour un mouvement et un contrôle efficaces du CR, prévoir avec précision la traction du CR et la résistance au mouvement est crucial, ces deux facteurs étant principalement dus à la force de frottement. Actuellement, il n’existe pas d’étude détaillée dans la littérature sur le coefficient de frottement (Coefficient of Friction, CoF) dans le côlon. Ainsi, cet article vise à déterminer, par expérimentation et analyse de données, la relation quantitative entre le coefficient de frottement et la pression de contact, la déformation circonférentielle et la vitesse de glissement.

Source de l’article et informations sur les auteurs

Cet article intitulé “Characterizing the coefficient of friction between a capsule robot and the colon” a été accepté par les “IEEE Transactions on Biomedical Engineering”. Les auteurs de cet article sont : Jinyang Gao, Peng Huang, Qiulin Tan (Université du Nord de la Chine), Jinshan Zhou (Université des Mines et de la Technologie de Chine), Ruiqin Li (Laboratoire clé de la technologie de fabrication avancée de Shanxi), Guozheng Yan (Université Jiaotong de Shanghai), et Li Zhang (Université Chinoise de Hong Kong). Cet article a été financé par le Fonds National des Sciences Naturelles de Chine, le Fonds scientifique de la province du Shanxi, entre autres.

Méthodologie de la recherche

Dans cette recherche, les auteurs ont conçu une série d’expériences et de processus d’analyse de données pour déterminer le coefficient de frottement dans le côlon. Les principales étapes sont les suivantes :

1. Conception expérimentale

Une série d’instruments classiques de test de traction ont été utilisés pour mesurer le coefficient de frottement de trois matériaux couramment utilisés pour le CR (PDMS, plastique ABS blanc et plastique ABS transparent) dans différentes conditions. Le processus expérimental inclut :

  • Renversement et fixation du côlon : Le côlon de porc est renversé, exposant sa surface interne, et fixé sur une plaque de soutien tout en ajustant un fin tube pour modifier la déformation circonférentielle.
  • Préparation des échantillons de frottement : Des bandes de PDMS (avec motif triangulaire), des plaques ABS blanches et transparentes sont utilisées comme échantillons de frottement.
  • Chargement et traînée : Un dynamomètre et un module de rail linéaire sont utilisés pour tracter les échantillons sous différentes pressions de contact, déformations circonférentielles et vitesses de glissement pour mesurer la traction.

2. Mesure et analyse des données

Durant les expérimentations, 144 scénarios de friction différents sont créés en ajustant la pression de contact (de 500 Pa à 6250 Pa), la déformation circonférentielle (de 0% à 60%) et la vitesse de glissement (de 1 mm/s à 10 mm/s). Les données suivantes sont principalement observées :

  • Influence de la pression de contact sur le CoF : Les résultats montrent une diminution générale du coefficient de frottement avec l’augmentation de la pression de contact, car la pression extrude plus de mucus, ce qui réduit l’effet lubrifiant.
  • Influence de la déformation circonférentielle sur le CoF : À mesure que la déformation circonférentielle augmente, la libération de mucus augmente, et le CoF diminue de manière significative.
  • Influence de la vitesse de glissement sur le CoF : Le CoF augmente avec la vitesse de glissement. Cela est dû à une réduction de la relaxation du stress des tissus du côlon à haute vitesse de glissement, augmentant ainsi la résistance environnementale et le frottement visqueux.

3. Modélisation des données et ajustement

Pour décrire quantitativement la relation entre le coefficient de frottement (CoF) et la pression de contact, la déformation circonférentielle ainsi que la vitesse de glissement, les auteurs ont suivi les étapes suivantes :

  • Ajuster les effets combinés de la pression de contact et de la déformation circonférentielle : Par l’intermédiaire des mesures et des courbes d’ajustement, une fonction puissance a été obtenue pour décrire la relation entre le CoF et la pression de contact ainsi que la déformation circonférentielle.
  • Ajuster l’effet de la vitesse de glissement : En comparant les données expérimentales à différentes vitesses de glissement, une fonction décrivant l’effet de la vitesse de glissement sur le CoF a été obtenue.

Enfin, une formule générale décrivant le coefficient de frottement pour les trois matériaux a été établie, avec 8 constantes de réglage. L’ajustement a montré une haute corrélation avec des coefficients de 0.9822, 0.9286 et 0.9696, respectivement.

Principaux résultats

Grâce aux expérimentations et aux analyses de données susmentionnées, les formules du coefficient de frottement obtenues ont été appliquées pour prédire la traction et la résistance au mouvement du CR dans le côlon et ont été vérifiées par des mesures réelles :

  • Prédiction de la traction et de la résistance au mouvement : Les calculs utilisant la formule du coefficient de frottement découverte ont été confirmés par des expérimentations in situ sur le côlon de porc. Les résultats ont montré une correspondance élevée entre les calculs et les mesures réelles, témoignant de l’exactitude des formules.

Conclusion et implications

Cette étude est la première à révéler systématiquement la règle selon laquelle divers facteurs affectent cumulativement le coefficient de frottement dans le côlon, et à établir une formule quantitative de ce coefficient. La recherche démontre que cette formule peut prédire avec précision la traction et la résistance au mouvement du CR, ce qui jette les bases des contrôles mécaniques et de mouvement. Ces résultats sont importants non seulement pour l’application du robot capsule dans les inspections coliques, mais fournissent également une base scientifique pour d’autres dispositifs médicaux interventionnels comme les robots capsules contrôlés magnétiquement et les robots capsules à impact vibratoire, en permettant une prédiction précise de la force de frottement, augmentant ainsi la sécurité et l’efficacité de leurs opérations.

Points forts de la recherche

  • Mesure complète du coefficient de frottement : Le CoF pour trois matériaux couramment utilisés a été systématiquement mesuré et analysé sous différentes pressions de contact, déformations circonférentielles et vitesses de glissement, comblant un vide dans la littérature.
  • Révélation de l’influence combinée de plusieurs facteurs : L’interdépendance de la pression de contact et de la déformation circonférentielle ainsi que l’effet indépendant de la vitesse de glissement sur le CoF ont été systématiquement révélés.
  • Formule d’ajustement pour le coefficient de frottement : Une formule quantitative précise du CoF a été suggérée via des données expérimentales et des ajustements, fournissant une base scientifique pour la conception et le contrôle mécanique des robots capsules.

Cette recherche offre non seulement un soutien de données essentiel et une base théorique pour le développement des robots capsules, mais elle améliore également la faisabilité et la précision de la manipulation des dispositifs médicaux dans l’environnement complexe du côlon.