Machine-Learning-Enhanced Soft Robotic System Inspired by Rectal Functions for Investigating Fecal incontinence

要約

便失禁は、無数の病原メカニズムによって引き起こされ、世界的にかなりの注目を集めています。
その重要性にもかかわらず、便失禁のメカニズムを研究するための排便系の再現は、主に社会的偏見とタブーのために依然として限られています。
直腸の機能にヒントを得て、当社は電源、圧力感知、データ収集システム、フラッシング機構、ステージ、直腸モジュールを含むソフトロボットシステムを開発しました。
革新的な軟直腸モジュールには、括約筋からインスピレーションを得たアクチュエーター、軟カバーと硬カバーの両方、および軟直腸モールドが含まれています。
直腸モールドは、人間の直腸組織を厳密に模倣した材料から製造され、モールド複製製造法を使用して製造されます。
金型の柔らかいコンポーネントと硬いコンポーネントの両方は、3D プリンティング技術の応用によって実現されます。
二層ポーチ構造を特徴とする括約筋にヒントを得たアクチュエーターは、高い収縮率 (100%)、高い発生圧力 (9.8 kPa)、短い回復時間 (3 秒) を取得することを目的とした多層パーセプトロン法に基づいてモデル化および最適化されています。
この排便ロボットは組み立てると、液状の便をスムーズに排出し、制御された固形便の切断を実行し、非常に固い長い便を排便することができるため、人間の直腸と肛門管の機能を厳密に再現します。
この排便ロボットは、人間の複雑な排便システムの理解を助け、排便に関連した福祉機器の開発に貢献する可能性を秘めています。

要約(オリジナル)

Fecal incontinence, arising from a myriad of pathogenic mechanisms, has attracted considerable global attention. Despite its significance, the replication of the defecatory system for studying fecal incontinence mechanisms remains limited largely due to social stigma and taboos. Inspired by the rectum’s functionalities, we have developed a soft robotic system, encompassing a power supply, pressure sensing, data acquisition systems, a flushing mechanism, a stage, and a rectal module. The innovative soft rectal module includes actuators inspired by sphincter muscles, both soft and rigid covers, and soft rectum mold. The rectal mold, fabricated from materials that closely mimic human rectal tissue, is produced using the mold replication fabrication method. Both the soft and rigid components of the mold are realized through the application of 3D-printing technology. The sphincter muscles-inspired actuators featuring double-layer pouch structures are modeled and optimized based on multilayer perceptron methods aiming to obtain high contractions ratios (100%), high generated pressure (9.8 kPa), and small recovery time (3 s). Upon assembly, this defecation robot is capable of smoothly expelling liquid faeces, performing controlled solid fecal cutting, and defecating extremely solid long faeces, thus closely replicating the human rectum and anal canal’s functions. This defecation robot has the potential to assist humans in understanding the complex defecation system and contribute to the development of well-being devices related to defecation.

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