Surgical Instruments based on flexible micro-electronics

This dissertation explores strategies to create micro-scale tools with integrated electronic and mechanical functionalities. Recently developed approaches to control the shape of flexible micro-structures are employed to fabricate micro-electronic instruments that embed components for sensing and actuation, aiming to expand the toolkit of minimally invasive surgery. This thesis proposes two distinct types of devices that might expand the boundaries of modern surgical interventions and enable new bio-medical applications. First, an electronically integrated micro-catheter is developed. Electronic components for sensing and actuation are embedded into the catheter wall through an alternative fabrication paradigm that takes advantage of a self-rolling polymeric thin-film system. With a diameter of only 0.1 mm, the catheter is capable of delivering fluids in a highly targeted fashion, comprises actuated opposing digits for the efficient manipulation of microscopic objects, and a magnetic sensor for navigation. Employing a specially conceived approach for position tracking, navigation with a high resolution below 0.1 mm is achieved. The fundamental functionalities and mechanical properties of this instrument are evaluated in artificial model environments and ex vivo tissues. The second development explores reshapeable micro-electronic devices. These systems integrate conductive polymer actuators and strain or magnetic sensors to adjust their shape through feedback-driven closed loop control and mechanically interact with their environment. Due to their inherent flexibility and integrated sensory capabilities, these devices are well suited to interface with and manipulate sensitive biological tissues, as demonstrated with an ex vivo nerve bundle, and may facilitate new interventions in neural surgery.:List of Abbreviations 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives and structure of this dissertation 2 Background 2.1 Tools for minimally invasive surgery 2.1.1 Catheters 2.1.2 Tools for robotic micro-surgery 2.1.3 Flexible electronics for smart surgical tools 2.2 Platforms for shapeable electronics 2.2.1 Shapeable polymer composites 2.2.2 Shapeable electronics 2.2.3 Soft actuators and manipulators 2.3 Sensors for position and shape feedback 2.3.1 Magnetic sensors for position and orientation measurements 2.3.2 Strain gauge sensors 3 Materials and Methods 3.1 Materials for shapeable electronics 3.1.1 Metal-organic sacrificial layer 3.1.2 Polyimide as reinforcing material 3.1.3 Swelling hydrogel for self assembly 3.1.4 Polypyrrole for flexible micro actuators 3.2 Device fabrication techniques 3.2.1 Photolithography 3.2.2 Electron beam deposition 3.2.3 Sputter deposition 3.2.4 Atomic layer deposition 3.2.5 Electro-polymerization of polypyrrole 3.3 Device characterization techniques 3.3.1 Kerr magnetometry 3.3.2 Electro-magnetic characterization of sensors 3.3.3 Electro-chemical analysis of polypyrrole 3.3.4 Preparation of model environments and materials 3.4 Sensor signal evaluation and processing 3.4.1 Signal processing 3.4.2 Cross correlation for phase analysis 3.4.3 PID feedback control 4 Electronically Integrated Self Assembled Micro Catheters 4.1 Design and Fabrication 4.1.1 Fabrication and self assembly 4.1.2 Features and design considerations 4.1.3 Electronic and fluidic connections 4.2 Integrated features and functionalities 4.2.1 Fluidic transport 4.2.2 Bending stability 4.2.3 Actuated micro manipulator 4.3 Magnetic position tracking 4.3.1 Integrated magnetic sensor 4.3.2 Position control with sensor feedback 4.3.3 Introduction of magnetic phase encoded tracking 4.3.4 Experimental realization 4.3.5 Simultaneous magnetic and ultrasound tracking 4.3.6 Discussion, limitations, and perspectives 5 Reshapeable Micro Electronic Devices 5.1 Design and fabrication 5.1.1 Estimation of optimal fabrication parameters 5.1.2 Device Fabrication 5.1.3 Control electronics and software 5.2 Performance of Actuators 5.2.1 Blocking force, speed, and durability 5.2.2 Curvature 5.3 Orientation control with magnetic sensors 5.3.1 Magnetic sensors on actuated device 5.3.2 Reference magnetic field 5.3.3 Feedback control 5.4 Shape control with integrated strain sensors 5.4.1 Strain gauge curvature sensors 5.4.2 Feedback control 5.4.3 Obstacle detection 5.5 Heterogenous integration with active electronics 5.5.1 Fabrication and properties of active matrices 5.5.2 Fabrication and operation of PPy actuators 5.5.3 Site selective actuation 6 Discussion and Outlook 6.1 Integrated self assembled catheters 6.1.1 Outlook 6.2 Reshapeable micro electronic devices 6.2.1 Outlook 7 Conclusion Appendix A1 Processing parameters for polymer stack layers A2 Derivation of magnetic phase profile in 3D Bibliography List of Figures and Tables Acknowledgements Theses List of Publication

Magnetosensitive e-skins for interactive electronics

The rapid progress of electronics and computer science in the last years has brought humans and machines closer than ever before. Current trends like the Internet of Things and artificial intelligence are closing the gap even further, by providing ubiquitous data processing and sensing. As this ongoing revolution advances, novel forms of human-machine interactions are required in an ever more connected world. A crucial component to enable these interactions is the field of flexible electronics, which aims to establish a seamless link between living and artificial entities using electronic skins (e-skins). E-skins combine the functionality of commercial electronics with the soft, stretchable and biocompatible characteristics of human skin or tissue. Until lately, the focus had been to replicate the standard functions associated with human skin, such as, temperature, pressure and chemical detection. Yet, recent developments have also introduced non-standard sensing capabilities like magnetic field detection to create the field of magnetosensitive e-skins. The addition of a supplementary information channel—an electronic sixth sense—has sparked a wide range of applications in the fields of cognitive psychology and human-machine interactions. In this thesis, we expand the concept of magnetosensitive e-skins to include the notion of directionality, which utilizes the full interaction potential of the magnetic field vector. Also, we introduce the use of flexible magnetoelectronics in virtual/augmented reality and human-computer interfaces. Three main results are attained in the course of this work: (i) we first demonstrate how magnetosensitive e-skins can be used as humanmachine interfaces driven by permanent magnet sources in the range of 5 mT. (ii) Building upon this milestone, we realize the first magnetosensitive e-skins which are driven by the earth’s magnetic field of 50 μT. (iii) We fabricate magnetosensitive e-skins which push the detection limit below 1 μT. The magnetosensitive e-skins in this work open exciting possibilities for sensory substitution experiments and sensory processing disorder therapies. Futhermore, for human-machine interactions, they provide a new interactive platform for touchless and gestural control in virtual and augmented reality scenarios beyond the limitations of optics-based systems.Der rasante Fortschritt der Elektronik und der Informatik in den letzten Jahren hat Mensch und Maschine nähergebracht als je zuvor. Aktuelle Trends wie das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz schließen die Lücke noch weiter, indem sie eine allgegenwärtige Datenverarbeitung und -erfassung ermöglichen. Mit fortschreitender Revolution sind neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion in einer immer vernetzter werdenden Welt erforderlich. Eine entscheidende Komponente, um diese Interaktionen zu ermöglichen, ist das Gebiet der flexiblen Elektronik, das darauf abzielt, mithilfe elektronischer Häute (e-skins) eine nahtlose Verbindung zwischen lebenden und künstlichen Entitäten herzustellen. E-skins verbinden die Funktionalität kommerzieller Elektronik mit den weichen, dehnbaren und biokompatiblen Eigenschaften menschlicher Haut oder menschlichen Gewebes. Bis vor kurzem lag der Schwerpunkt auf der Nachbildung der mit der menschlichen Haut verbundenen Standardfunktionen wie Temperatur-, Druck- und Chemikalienerkennung. Jüngste Entwicklungen haben jedoch auch nicht standardmäßige Erfassungsfähigkeiten wie die Magnetfelderkennung eingeführt, um das Feld magnetoempfindlicher e-skins zu erzeugen. Die Hinzufügung eines zusätzlichen Informationskanals - eines elektronischen sechsten Sinns - hat eine breite Palette von Anwendungen auf den Gebieten der kognitiven Psychologie und der Mensch-Maschine-Interaktionen ausgelöst. In dieser Arbeit erweitern wir das Konzept der magnetoempfindlichen e-skins um den Begriff der Richtwirkung, bei dem das volle Wechselwirkungspotential des Magnetfeldvektors genutzt wird. Außerdem führen wir die Verwendung flexibler Magnetoelektronik in der virtuellen Realität / erweiterten Realität und in Mensch-Computer-Schnittstellen ein. Im Verlauf dieser Arbeit werden drei Hauptergebnisse erzielt: (i) Wir demonstrieren erstmals, wie magnetoempfindliche e-skins als Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet werden können, die von Permanentmagnetquellen im Bereich von 5 mT angetrieben werden. (ii) Aufbauend auf diesem Meilenstein realisieren wir die ersten magnetoempfindlichen e-skins, die vom Erdmagnetfeld von 50 μT angetrieben werden. (iii) Wir fertigen magnetoempfindliche e-skins, bei denen die Nachweisgrenze unter 1 μT liegt. Die magnetoempfindlichen e-skins in dieser Arbeit eröffnen aufregende Möglichkeiten für sensorische Substitutionsexperimente und Therapien bei sensorischen Verarbeitungsstörungen. Darüber hinaus bieten sie für die Mensch-Maschine-Interaktion eine neue interaktive Plattform für die berührungslose und gestische Steuerung in virtuellen und Augmented Reality-Szenarien, die über die Grenzen optikbasierter Systeme hinausgehen

EUROSENSORS XVII : book of abstracts

Fundação Calouste Gulbenkien (FCG).Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Proceedings of the Scientific-Practical Conference "Research and Development - 2016"

talent management; sensor arrays; automatic speech recognition; dry separation technology; oil production; oil waste; laser technolog

Proceedings of the Scientific-Practical Conference "Research and Development - 2016"

talent management; sensor arrays; automatic speech recognition; dry separation technology; oil production; oil waste; laser technolog

XLIII Jornadas de Automática: libro de actas: 7, 8 y 9 de septiembre de 2022, Logroño (La Rioja)

[Resumen] Las Jornadas de Automática (JA) son el evento más importante del Comité Español de Automática (CEA), entidad científico-técnica con más de cincuenta años de vida y destinada a la difusión e implantación de la Automática en la sociedad. Este año se celebra la cuadragésima tercera edición de las JA, que constituyen el punto de encuentro de la comunidad de Automática de nuestro país. La presente edición permitirá dar visibilidad a los nuevos retos y resultados del ámbito, y su uso en un gran número de aplicaciones, entre otras, las energías renovables, la bioingeniería o la robótica asistencial. Además de la componente científica, que se ve reflejada en este libro de actas, las JA son un punto de encuentro de las diferentes generaciones de profesores, investigadores y profesionales, incluyendo la componente social que es de vital importancia. Esta edición 2022 de las JA se celebra en Logroño, capital de La Rioja, región mundialmente conocida por la calidad de sus vinos de Denominación de Origen y que ha asumido el desafío de poder ganar competitividad a través de la transformación verde y digital. Pero también por ser la cuna del castellano e impulsar el Valle de la Lengua con la ayuda de las nuevas tecnologías, entre ellas la Automática Inteligente. Los organizadores de estas JA, pertenecientes al Área de Ingeniería de Sistemas y Automática del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Rioja (UR), constituyen un pilar fundamental en el apoyo a la región para el estudio, implementación y difusión de estos retos. Esta edición, la primera en formato íntegramente presencial después de la pandemia de la covid-19, cuenta con más de 200 asistentes y se celebra a caballo entre el Edificio Politécnico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y el Monasterio de Yuso situado en San Millán de la Cogolla, dos marcos excepcionales para la realización de las JA. Como parte del programa científico, dos sesiones plenarias harán hincapié, respectivamente, sobre soluciones de control para afrontar los nuevos retos energéticos, y sobre la calidad de los datos para una inteligencia artificial (IA) imparcial y confiable. También, dos mesas redondas debatirán aplicaciones de la IA y la implantación de la tecnología digital en la actividad profesional. Adicionalmente, destacaremos dos clases magistrales alineadas con tecnología de última generación que serán impartidas por profesionales de la empresa. Las JA también van a albergar dos competiciones: CEABOT, con robots humanoides, y el Concurso de Ingeniería de Control, enfocado a UAVs. A todas estas actividades hay que añadir las reuniones de los grupos temáticos de CEA, las exhibiciones de pósteres con las comunicaciones presentadas a las JA y los expositores de las empresas. Por último, durante el evento se va a proceder a la entrega del “Premio Nacional de Automática” (edición 2022) y del “Premio CEA al Talento Femenino en Automática”, patrocinado por el Gobierno de La Rioja (en su primera edición), además de diversos galardones enmarcados dentro de las actividades de los grupos temáticos de CEA. Las actas de las XLIII Jornadas de Automática están formadas por un total de 143 comunicaciones, organizadas en torno a los nueve Grupos Temáticos y a las dos Líneas Estratégicas de CEA. Los trabajos seleccionados han sido sometidos a un proceso de revisión por pares