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Elektroaktive Polymeraktoren als integrierter Antrieb für abwinkelbare Endoskope

Wehrheim, Frank:
Elektroaktive Polymeraktoren als integrierter Antrieb für abwinkelbare Endoskope.
TU Darmstadt , Darmstadt .
[Book], (2012)

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Item Type: Book
Title: Elektroaktive Polymeraktoren als integrierter Antrieb für abwinkelbare Endoskope
Language: German
Abstract:

Anhand der vorliegenden Dissertation werden die Ergebnisse zur Untersuchung der Anwendbarkeit Elektroaktiver Polymeraktoren (EAP) auf endoskopische Abwinkelungen präsentiert. Als übergeordnete Motivation steht das Bestreben, den aktuellen Bewegungsraum verfügbarer Endoskope zu erweitern. Hierdurch sollen Probleme in der Handhabung und Orientierung gelöst werden sowie zukunftsweisende technische Grundlagen für neue Therapie- und Diagnoseverfahren eröffnet werden. Die Anforderungen orientieren sich zunächst am Bauraumbedarf der Abwinkelung und der steuerbaren Beweglichkeit aktueller medizinischer Endoskope. Aus diesen Randbedingungen leitet sich die Forderung nach der Integration einer mechanischen Stützstruktur als Bestandteil der Aktorstruktur ab. Die folgenden Untersuchungsergebnisse beschreiben das optimale Design sowie die Eigenschaften der einzelnen Aktorkomponenten und verschiedener Gestaltungsvarianten derselben. Durch Darstellung verschiedener Varianten und Versuchsergebnisse wird damit ein weltweit erstes Konzept für einen EAP-Schlauchaktor in Ausführung als Dielektrischer Elastomeraktor (DEA) mit starrer Elektrodenstruktur vorgestellt. Zur Beschreibung des Verformungsverhaltens dieser Aktorstruktur erfolgt die Herleitung eines mathematisch-physikalischen Modells. Dieses Modell stützt sich auf theoretische Betrachtungen, Versuchsergebnisse sowie Gegenüberstellungen zu Finite-Elemente-Analysen. Für einen Schlauchaktor in Anlehnung an den Abwinkelungsbauraum eines aktuellen Cystoskops wird für das erprobte Material die maximale axiale Kraft zu 95 mN berechnet. Eine Steigerung dieser Kraft auf Werte größer 1 N ist durch Verwendung alternativer Dielektrika in Aussicht gestellt. Aus der Interpretation der Modellbildung ist ein Dielektrischer-Elastomer-Schlauchaktor für endoskopische Abwinkelungen in Kombination mit z.B. einer distalen LED oder einem Kameramodul für Beleuchtungs- und Beobachtungszwecke prinzipiell geeignet. Als Einschränkung können jedoch aufgrund der verhältnismäßig geringen, absoluten axialen Kräfte, unter Verwendung des untersuchten Dielektrikums, keine Instrumente durch das Innere des Aktors geführt werden. Dies würde aufgrund der Biegesteifigkeit dieser Instrumente zu einer Streckung der Abwinkelung führen. Ergänzend zu bereits bekannten Dielektrika wird erstmalig das bisher unbekannte Wacker Silpuran 2400 als geeigneter biokompatibler Werkstoff für DEA charakterisiert. Der elektrostatische Druck ist mit 26,5 kPa etwa 2,2 mal so hoch wie der des bisher bekannten Wacker Elastosil P7670. Eine große Herausforderung stellt die Herstellung solcher Aktoren dar. Daher werden verschiedene Fertigungstechnologien für einzelne Komponenten der Aktorstruktur durch praktische Versuchsaufbauten auf ihre Eignung hin bewertet. Aus den Einzelergebnissen werden Gesamtfertigungskonzepte abgeleitet und der favorisierte Fertigungsablauf dargestellt. Mit Blick auf weiterführende Arbeiten wird ein Konzept zur Optimierung der Aktoreigenschaften vorgestellt. Hierbei wird der Ansatz von Dielektrischen Elastomeraktoren mit nachgiebigen Elektroden mit dem Ansatz starrer Aktorelektroden vorteilhaft kombiniert. Neben der Anwendung des Schlauchaktors im Bereich der Endoskopie werden weitere Ausführungsbeispiele für optische Linsen, einen Mikrogreifer sowie einen Peristaltikschlauch vorgestellt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present thesis introduces the evaluation results of the applicability of Electroactice Polymer Actuators (EAP) to the deflection portion of endoscopic devices. Following the ambition to extend the accessible kinematic degree of freedom recent lags regarding handling of medical endoscopes should be resolved. Besides this trendsetting technological fundamentals for upcoming therapeutic and diagnostic methods should be established. As mitigation the degree of motion of the active distortion portion should be extended to be able to show in any radial direction without turning the endoscope shaft. Today’s developers of medical endoscopes have to deal with strong space limitations for the implementation of endoscopic distortion assemblies. This functional area is occupied with a number of application-related sub-assemblies. Fibre optical waveguides for illumination and image aquisition, electrical lines and instrument pipes reserve most of the total profile. Approximately 35 % of the profile are reserved for the bending mechanism and an outside protection tubing. This situation motivates the development of a highly integrated bending tube actuator. As promising technology Dielectric Elastomer Actuators (DEA) offer good characteristics to realize an applicable concept. Because of the critical space situation the implementation of an inherent support structure is favorized. For this the actuator electrodes should be designed as rigid support structure. With the present results an optimal design concept is introduced and properties of its different components and variations of those are discussed. By explaining different concepts the worldwide first Electroactive-Bending-Tube-Actuator with rigid actuator electrodes for endoscopic applications is introduced. For the specification of the actuation performance a geometry- and material-related mathematical model is derived. The conclusions are based on theoretical examinations, test results and comparisons with finite element analysis. By application of the investigated dielectric Wacker Silpuran 2400 and under consideration of the geometry of state-of-the art cystoscopes a maximum axial force of 95 mN is predicted. An improvement of this force larger than 1 N is potentially feasible by variation of the dielectric. As conclusion the developed bending-tube-actuator-concept is applicable to carry a light source or a camera module for endoscopic lighting and observation purposes. A major limitation is given by the low axial forces. This avoids to guide further instruments through the inner diameter of the actuator. Besides already known dielectric materials the novel Wacker Silpuran 2400 has been discovered as applicable biocompatible elastomer. The electrostatic pressure of 26,5 kPa is 2,2 times of the already known WackerElastosil P7670. The fabrication of the actuator assembly turns out to be a strong challenge. Thus different fabrication technologies for individual components of the actuator are verified by practical test setups. As conclusion recommended fabrication technologies are pointed out and combined to an overall manufacturing concept. With perspective on further investigations the concept on an optimized tube-actuator is introduced. With this concept the properties of compliant electrodes are combined with rigid electrode structures to a hybrid-actuator-concept. In addition to medical devices further applications for optical lenses, a micro-gripper and a peristaltic-tube are presented.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt
Uncontrolled Keywords: EAP, Elektroaktiver Polymeraktor, DEA, Dielektrischer Elastomeraktor, Endoskop, elektroaktiv, Schlauchaktor
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
EAP, electroactive polymer actuator, DEA, dielectric elastomer actuator, endoscope, electroactive, tube actuatorEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 27 Mar 2012 09:46
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29110
Additional Information:

Druckausg.: Darmstadt, Institut für Elektromechanische Konstruktionen, 2012. Mikro- und Sensortechnik, Bd. 21 [Darmstadt, TU, Diss. 2012]

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Druckausg.: Darmstadt, Institut für Elektromechanische Konstruktionen, 2012. Mikro- und Sensortechnik, Bd. 21 [Darmstadt, TU, Diss. 2012]

Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut F. and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland and Lehr, Prof. Dr. Heinz
Refereed: 3 February 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2911
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