Conception optimale de robots souples pour des applications médicales

Optimal design of flexible robots for medical applications

• Auteur / Autrice : Arthur Lacroix
• Direction : Yassine Haddab, Marc Gouttefarde
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Micro-électronique de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Robotique

Mots clés

Mots clés libres

Conception de robots souples

Optimisation de structures robotiques

Robotique médicale

Robotique souple

Medical robotics

Soft robotics

Optimisation of robotic structures

Design of soft robots

Résumé

La robotique médicale a connu, ces dernières années, des avancées majeures aussi bien dans la qualité et le taux de succès des gestes chirurgicaux que pour le confort du patient. La chirurgie traditionnelle a ainsi évolué vers des approches mini invasives telles que la chirurgie laparoscopique et, plus récemment, vers la chirurgie non invasive en exploitant des accès au corps humains par les orifices naturels. En outre, la robotique souple (soft robotics) a également connu ces dernières années de nombreux développements concernant d'une part les technologies de fabrication (impression 3D de matériaux souples, etc.) et d'autre part les méthodes de modélisation et de commande. Ces évolutions accroissent considérablement l'intérêt de la robotique souple pour des applications médicales non invasives en raison de la nature des interactions mieux adaptées aux organes humains. Bien que des travaux de recherche sur l'emploi de robots souples dans le domaine médical aient été initiés par certaines équipes de recherche à travers le monde, cette thématique reste largement ouverte et de nombreux verrous scientifiques et technologiques doivent être levés. Il s'agit, notamment, de développer des architectures robotiques miniaturisées et optimisées, adaptées aux gestes chirurgicaux à exécuter. En raison des différences morphologiques naturelles entre les organes de différents patients (encore plus marquées entre un sujet adulte et un enfant), il convient d'adapter l'architecture du robot souple. La thèse proposée a pour objectif de développer des méthodes de conception optimale de robots souples tenant compte de contraintes géométriques et fonctionnelles (environnements confinés, espace de travail, efforts requis, etc.) et d'exigences des applications en chirurgie (interaction avec les tissus humains, réalisation de biopsies, palpation artificielle, etc.). Des méthodes d'optimisation (pouvant inclure des approches d'intelligence artificielle) pourront être utilisées et adaptées aux spécificités des matériaux souples pour aboutir à des architectures robotiques optimales répondant à des exigences multicritères. A terme, le projet pourra évoluer vers une conception de robots souples à faible coût, optimisés pour chaque patient et « jetables » pour répondre au problème de stérilisation. Le doctorant ou la doctorante pourra s'appuyer sur les fortes compétences de l'équipe DEXTER du département robotique du LIRMM dans les domaines de la robotique médicale, de la microrobotique et de la conception et la commande de robots.

In recent years, medical robotics has seen major advances in the quality and success rate of surgical procedures as well as in patient comfort. Traditional surgery has evolved towards minimally invasive approaches such as laparoscopic surgery and, more recently, towards non-invasive surgery by exploiting access to the human body through natural orifices. In addition, soft robotics has also seen many developments in recent years, both in manufacturing technologies (3D printing of soft materials, etc.) and in modelling and control methods. These developments considerably increase the interest of soft robotics for non-invasive medical applications due to the nature of the interactions better adapted to human organs. Although research on the use of soft robots in the medical field has been initiated by some research teams around the world, this topic remains largely open and many scientific and technological barriers need to be overcome. In particular, it is a question of developing miniaturised and optimised robotic architectures, adapted to the surgical gestures to be performed. Due to the natural morphological differences between the organs of different patients (even more marked between an adult subject and a child), the architecture of the flexible robot must be adapted. The objective of the proposed thesis is to develop optimal design methods for soft robots taking into account geometrical and functional constraints (confined environments, working space, required efforts, etc.) and requirements of surgical applications (interaction with human tissues, performing biopsies, artificial palpation, etc.). Optimisation methods (which may include artificial intelligence approaches) may be used and adapted to the specificities of soft materials to achieve optimal robotic architectures that meet multi-criteria requirements. Eventually, the project may evolve towards the design of low-cost flexible robots, optimised for each patient and 'disposable' to address the sterilisation problem. The PhD student will be able to rely on the strong skills of the DEXTER team of the LIRMM robotics department in the fields of medical robotics, microrobotics and robot design and control.