Diseño de un robot nadador de pequeñas dimensiones tipo flagelo eucariótico artificial. Aplicaciones médicas

Abstract

Los microrobots, y concretamente los robots nadadores, han atraído una gran atención en las últimas décadas mostrando un alto potencial en el campo biomédico, como la cirugía mínimamente invasiva, la administración de fármacos o la monitorización. Sin embargo, trabajar en la microescala implica un cambio de paradigma y la necesidad de afrontar nuevos retos. Los métodos convencionales de diseño o propulsión dejan de ser adecuados a escalas micrométricas al interactuar en entornos caracterizados por un bajo número de Reynolds (Re), es decir, entornos dominados por las fuerzas viscosas. Sin embargo, son minoritarias las investigaciones orientadas a robots nadadores de propulsión autónoma con carácter bioinspirado. En este contexto, esta tesis se centra en el modelado, diseño y control de un robot nadador tipo flagelo artificial eucariótico de pequeñas dimensiones capaz de navegar en condiciones similares a las que se dan en el sistema cardiovascular humano. En primer lugar, se presenta el modelo de un robot nadador articulado de N segmentos para entorno con medio y bajos Re, y se propone una nueva forma de onda para la propulsión. Sobre el modelo presentado se lleva a cabo un estudio de la locomoción y el diseño del control, proponiendo una estrategia de control anidada para el seguimiento de trayectorias. Para la validación del modelo, así como de las estrategias de control diseñadas, se desarrolla un simulador de robot nadador de N segmentos y un prototipo de 3 segmentos flexibles. Adicionalmente, se aborda el modelado y validación del sistema cardiovascular humano presentando un nuevo modelo eléctrico e hidráulico.

Microrobots, specifically swimming robots, have attracted significant attention in the last decades showing high potential in the biomedical field, such as minimally invasive surgery, drug delivery or monitoring. However, working at the microscale implies a paradigm shift and the need to face new challenges. Conventional design or propulsion methods are no longer adequate at micrometer scales when interacting in environments characterized by a low Reynolds number (RE), i.e., environments dominated by viscous forces. However, research lines focused on bio-inspired swimming robots propelled autonomously are in the minority. In this context, this thesis focuses on the modeling, design and control of an eukaryotic artificial flagellum-like small swimming robot to navigate in conditions similar to those of the human cardiovascular system. Firstly, the model of an N-link articulated swimming robot for medium and low Re conditions is presented, and a new propulsion waveform is proposed. Secondly, locomotion and control design study of the swimmer is carried out based on the mentioned model, proposing a nested control strategy for path following. Finally, an N-segment swimming robot simulator and a flexible 3-link prototype are developed to validate and verify the model and the designed control strategies. Additionally, the modeling and validation of the human cardiovascular system are addressed by presenting a new electrical and hydraulic model.