04 juin 2007
Des mains robotiques plus précises que des mains humaines
Les ingénieurs du laboratoire de robotique urologique de l'institut Johns Hopkins rapportent l'invention d'un moteur sans métal ni électricité qui peut sans risque actionner les dispositifs médicaux robotiques télécommandés utilisés pour des biopsies et des thérapies du cancer guidées par IRM (Imagerie par Raisonnance Magnétique). Le moteur qui anime les dispositifs peut être commandé par ordinateur avec une telle précision que les mouvements sont plus réguliers et précis que ceux d'une main humaine.
« Un bon nombre de biopsies sur des organes tels que la prostate sont actuellement réalisées à l'aveugle car les tumeurs sont la plupart du temps invisibles aux outils d'imagerie utilisés généralement, » explique Dan Stoianovici, docteur, professeur associé d'urologie chez Johns Hopkins et directeur du laboratoire de robotique. « Notre nouveau moteur et robot certifié IRM peut viser ces tumeurs. Ceci devrait augmenter la précision de repérage et de prélèvement d'échantillons de tissu, réduire les erreurs de diagnostique et également améliorer les thérapies. »
Une description du nouveau moteur, réalisé entièrement en plastiques, céramique et caoutchouc, et piloté à la lumière et à l'air, a été publié dans le numéro de février de la revue IEEE/ASME Transactions on Mechanotronics.
Le défi pour son équipe d'ingénieurs était de surmonter la sensibilité de l'IRM aux l'interférences magnétiques fortes. Les métaux sont peu sûrs dans les IRM car la machine est basée sur un puissant aimant, et les courants électriques tordent les images, d'après Stoianovici. L'équipe a utilisé six des moteurs pour actionner le premier robot compatible IRM et accéder à une prostate. Ce robot subit actuellement un essai préclinique.
Le « cancer de la prostate est corriace car il peut seulement être vu sous IRM, et à un stade peu avancé il peut être très petit et facile à manquer, » ajoute Stoianovici.
Le nouveau moteur de Johns Hopkins, surnommé PneuStep, se compose de trois pistons reliés à une série de roues. Les roues sont mises en rotation par la circulation d'air, qui est elle-même commandée par un ordinateur situé dans une salle à proximité de l'IRM. « Nous pouvons réaliser un mouvement précis et sans heurt du moteur à près de 50 micromètres, ce qui est plus fins que des cheveux humains, » indique Stoianovici.
Le robot est placé à côté du patient dans le module de balayage de l'IRM et est commandé à distance en observant les images sur le moniteur. Le moteur est piloté par fibres optiques, qui retournent l'information à l'ordinateur en temps réel, permettant à la fois de guider et de rajuster le mouvement.
« Le robot se déplace lentement mais avec précision, et nos expériences prouvent que l'aiguille est toujours à moins d'un millimètre de la cible, » expose Stoianovici. Ce type de commande de précision permettra à des médecins d'utiliser des instruments selon des modalités encore impossibles actuellement possibles, ajoute-t-il.
« Ce remarquable robot promet beaucoup - la vague du futur est la chirurgie guidée par image pour mieux cibler, diagnostiquer et traiter les cancers avec des techniques minimalement invahissantes, » s'enflamme Li-Ming Su, M.D., professeur associé d'urologie et directeur de chirurgie urologique laparoscopique et robotique à l'institut urologique Brady d'Hopkins.
Première médicale : un robot sans fil dans les artères
quelque 40 ans après la sortie du classique film de science fiction Le Voyage Fantastique les chercheurs du laboratoire de NanoRobotique du Département de génie informatique et de l'institut de technologie biomédicale de l'École Polytechnique de Montréal ont réalisé une percée technologique importante dans le domaine de la robotique médicale. Ils ont réussi pour la première fois à guider, in vivo et à l'aide d'un ordinateur, un appareil miniaturisé à l'intérieur d'une artère, à une vitesse de 10 centimètres par seconde.
Sous la direction du professeur Sylvain Martel, titulaire de la chaire canadienne de recherches en développement, construction et validation de micro/Nano systèmes, et en collaboration avec des chercheurs du centre hospitalier de l'Université de Montréal (COPAIN), l'équipe de Polytechnique a réussi à injecter, propulser et contrôler au moyen d'un logiciel un premier prototype d'un dispositif libre (une sphère ferromagnétiques de 1,5 millimètres de diamètre) dans l'artère carotide d'un animal vivant placé à l'intérieur d'un système clinique d'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Encouragé par ces résultats, le personnel au laboratoire de NanoRobotique de l'école Polytechnique travaillent actuellement à réduire encore la taille des dispositifs de sorte que, dans quelques années, ils puissent le diriger à l'intérieur de plus petits vaisseaux sanguins.
L' « injection et le pilotage de nanorobots à l'intérieur du corps humain, qui contient presque 100.000 kilomètres de vaisseaux sanguins, est une voie prometteuse qui pourrait permettre à la médecine d'intervenir dans des emplacements qui sont jusqu'ici restés inaccessibles aux instruments médicaux modernes tels que les cathéters, » a expliqué le professeur Martel. « En collaboration avec nos partenaires scientifiques, les chercheurs de Polytechnique ont commencé à développer plusieurs types de micro et nanodispositifs pour de nouvelles applications telles que la libération ciblée de médicaments aux emplacements des tumeur et les diagnostics en utilisant des biodétecteurs navigants. »
Les résultats de cette percée scientifique ont été publiés par professeur Martel et 10 co-auteurs de l'École Polytechnique de Montréal et du COPAIN le 14 mars dans le journal scientifique Applied Physics Letters.
Des demandes de brevet ont été déposées pour cette méthode de surveillance en temps réel et de guidage de dispositifs pour des interventions chirurgicales minimalement invasives guidées par IRM. La commercialisation de la technologie a été confiée à Gestion Univalor, LP.
Un robot européen qui se déplace comme une salamandre
Une équipe européenne a développé un modèle théorique du cordon médullaire de la salamandre et l'a mis en oeuvre dans un robot amphibie imitant la salamandre. Le robot change sa vitesse et sa démarche en réponse à des signaux électriques simples, suggérant que le système neural distribué du cordon médullaire tien la clef des possibilités locomotrices complexes des vertébrés.
Dans un article paru dans la revue Science, les scientifiques de l'EPFL en Suisse et du centre de recherches de l'INSERM/université de Bordeaux en France présentent leur robot, Salamandra Robotica. Cette créature jaune à quatre jambes révèle beaucoup au sujet de l'évolution de la locomotion vertébrée. C'est également une démonstration grandeur nature que des robots peuvent être employés pour examiner et vérifier des concepts biologiques, et que très souvent la nature elle-même offre des solutions idéales à la conception de robots.
Les chercheurs ont utilisé un modèle numérique du cordon médullaire des salamandre pour explorer trois questions fondamentales liées au mouvement de ce vertébré : quels étaient les changements du cordon médullaire qui ont permis l'évolution de la locomotion aquatique à la locomotion terrestre ? Comment les membres et les mouvements axiaux sont-ils coordonnés ? Et comment est-ce qu'un signal électrique simple du tronc cérébral est traduit par le cordon médullaire en changement de démarche ?
Une fois avoir estimé bien répondu à ces questions, l'équipe a mis son modèle en oeuvre - un système d'oscillateurs couplés représentant des réseaux neuronaux du cordon médullaire - sur un robot imitant une salamandre primitive. Des signaux électriques simples, comme les signaux envoyés du cerveau supérieur au cordon médullaire, ont été envoyés sans fil d'un ordinateur portable au robot. Ces signaux étaient suffisants pour lui faire changer sa vitesse et sa direction ou bien faire passer le robot de la marche à la natation. Le modèle fournit donc une explication potentielle - approprié pour toutes les marches à quatre jambes - de la façon dont une locomotion agile est commandée par les mécanismes neuraux distribués situés dans le cordon médullaire.
Le robot sert ici d'outil d'expérience pour la neurobiologie, explique le professeur Auke Ljspeert d'EPFL. « Nous avons utilisé le robot pour prouver que notre modèle reflète réellement la réalité. Le robot a été très utile pour valider notre modèle et montrer qu'il pourrait efficacement moduler vitesse, direction et démarche - aspects qui ont besoin d'un « corps » mécanique pour être correctement évalués - et vérifier également que les mouvements produits sont près de ceux d'une vraie salamandre. »
Cette recherche peut au bout du compte servir à mieux comprendre les circuits plus sophistiqués du cordon médullaire humain. Si les signaux de commande reçus par le cordon médullaire pouvaient être identifiés, peut-être serait-il alors possible de les reproduire par des stimulations électriques chez les patients présentant des dommages au cordon médullaire.
Et c'est également une nouvelle et brillante démonstrationde ce que la biologie offre des idées uniques pour la conception de robots. La « nature a trouvé une manière élégante de faire un circuit sophistiqué dans le cordon médullaire et de contrôler les muscles à partir de là, » note Ljspeert. « C'est une solution fantastique pour coordonner des degrés de liberté multiples d'une manière distribuée simple. » Des robots qui pourraient changer leur vitesse, direction, et démarche via des signaux à distance simples, comme la matière organique le fait, seraient extrêmement utiles dans les missions de recherche et de sauvetage, par exemple.
24 mai 2007
Développement d'un robot imitant le déplacement de l'amibe
Dennis Hong, de l'université de technologie Virginia Tech est en train de concevoir un mécanisme de locomotion par la peau (Whole Skin Locomotion - WSL) pour que les robots puissent fonctionner comme les pseudopodes (ou "pied" cytoplasmique) de l'amibe. Avec sa forme cylindrique ovale et ses anneaux d'extension et de contraction, le WSL peut se se retourner en un seul mouvement continu, imitant le mouvement du tube cytoplasmique qu'une amibe produit pour sa propulsion.
« Nos expériences préliminaires montrent qu'un robot employant le mécanisme de WSL peut facilement se glisser entre les obstacles ou sous un plafond effondré, » commente Hong. Le mécanisme, qui peut employer toutes ses surfaces de contact pour la traction, peut même se faufiler par des trous de diamètres beaucoup plus petits que sa largeur normale.
« Cette mobilité unique fait de WSL la méthode idéale de locomotion pour les robots de recherche-et-sauvetage qui ont besoin de passer par-dessus ou par-dessous des obstacles, » ajoute Hong, qui espère que ses recherches aideront à promouvoir le bio-mimétisme lors de la conception des robots. « Le mécanisme a également un potentiel pour des applications médicales, comme les endoscopes robotiques, par exemple, où un robot doit manoeuvrer dans des espaces reserrés. »
Hong est le directeur du Laboratoire de Robotique et des Mécanismes de Virginia Tech (RoMeLa), où des modèles de mise en action de WSL seront analysés et des prototypes seront créés et examinés. Hong et ses étudiants travaillent sur plusieurs mécanismes innovants pour la locomotion des robots, y compris IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System), DARwin (Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence - robot anthropomorphe dynamique avec l'intelligence), et STriDER (Self-Excited Tripedal Dynamic Experimental Robot - robot expérimental dynamique tripède auto-excité).
Il conseille également l'équipe Sprint (Soccer Playing Robot with Intelligence) de Virginia Tech pour la RoboCup, une compétition internationale de robots autonomes footballers. L'équipe Sprint est la seule équipe américaine a avoir passé les pré-qualifications de la compétition.