Biologisch inspirierte mikrotechnische Werkzeuge für die Mikromontage und die Minimal-Invasive Chirugie

摘要

"Natur findet die Form". Die konstruktiven Eigenschaften und Funktionsprinzipien der Lebewesen wurden in Millionen Jahren Evolution durch Spezialisierung erworben. Bionik verbindet so die Biologie mit der Technik und gibt als Methode der Umsetzung von Funktionsprinzipien biologischer Systeme dem Konstrukteur eine von der Evolution begründete Logik in die Hand. In der Mikrosystemtechnik ist eine Vielfalt von Mikrokomponenten entwickelt worden. In der Kombination verschiedener Mikroteile zu einem hybriden System besteht das nächste Forschungsziel. Das Manipulieren dieser Mikrokomponenten ist eine der Schlüsseltechnologien für die weitere Systemintegration. Die Einbeziehung bionischer Entwurfskriterien in die Greifer- und Manipulationstechnik stellt anwendungsorientierte Erweiterungen der Greifer-Grundstruktur nach dem Vorbild biologischer Systeme bereit. Mundwerkzeuge von Wirbellosen bieten in ihrer modellhaften Abstraktion Anregungen für die Konstruktion des Greifmechanismus und der Greifer-Wirkflächengestaltung. Sie sind - unter Maßgabe der Spezifik der Mikrodimension - störungstolerant und nachgiebig. In der Mikrosystemtechnik werden die monolithischen Getriebe durch nachgiebige Mechanismen realisiert. Glastechnologie mit fotoempfindlichem Glas, FOTURAN, wurde gewählt für die Fertigung des Greifers. Ein Mikrogreifer mit linearer Kraft-Auslenkung-Kennlinie wurde hergestellt.Ein strömungsunterstütztes Ätzverfahren wurde entwickelt, mit dem tiefe Strukturen mit einer Wandneigung von ca. 1° in 2mm Glas realisiert wurden. Auf der Basis der 2mm-Glastechnologie wurden Greifer mit Piezostapel-Aktuatoren entwickelt. Der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) ermöglichte die Optimierung der Gestaltung von mikrostrukturierten Festkörpergelenken für die Realisierung einer großen Auslenkung mit möglichst reduzierter mechanischer Spannung. Ein Greifweg von 2(400µm konnte von den beiden Greifarmen realisiert werden.Nach dem Prinzip der Flügelkopplung einer Wanze (Graphosoma spec.) wird Silikon-Elastomer eingesetzt, um die Funktionsteile durch ein elastisches Gelenk zu verbinden. Damit wird der Bewegungsbereich der Funktionsteile, unter Verminderung der Bruchgefahr, wesentlich größer. Mit "Fingerspitzengefühl" kann der Mikrogreifer unter Ausnutzung vom "self-sensing"-Effekt des piezokeramischen Antriebs versehen werden - eine integrierte Sensorik, die bei der Detektion und Regelung des Greifvorganges anwendbar ist.Minimal-Invasive Chirurgie hat gegenüber den traditionellen Eingriffsmethoden eindeutige Vorteile: kleinere Wundflächen, geringere Gewebeverletzung und kürzere Rekonvaleszenzdauer. In der Minimal-Invasiven Chirurgie ist es oft notwendig, überständiges Gewebe hochpräzise zu zertrennen. Zur Zeit verfügbare Werkzeuge stellen hohe Anforderungen an die manuellen Fähigkeiten der Ärzte. Eine Lösung findet sich im Prinzip der Blattschneiderameise Atta sexdens. Sie durchtrennt Pflanzenblätter mit einer oszillierenden Kieferbewegung und die hochfrequente Translation der Mandibelkanten trägt zu einem effizienten und glatten Schneiden bei. Das Prinzip von Vibrationssägen wurde für die Konstruktion von MIC-Werkzeuge benutzt. Es führt auch zu einem selektiven Trennen, bei dem die umgebenden Gewebe geschont werden können. Glasfaser und ein Wellenleiter aus flüssigem Metall "Galinstan" wurden benutzt, Energie zu transportieren. Die Konstruktion für MIC-Werkzeuge wurde angegeben. Enerseits wird der Effektor von der durch den flexiblen Wellenleiter übertragenen Schallenergie getrieben, zu oszillieren; gleichzeitig realisiert der Effektor die Bewegung, sich dem zu sägenden Objekt zu nähern.