Mikrofluidische Antriebstechnik

Zusammenfassung: Im Rahmen dieser Arbeit werden mikrofluidische Antriebe für einen intrakorporalen Manipulator (INKOMAN), einem universellen Instrumententräger für die minimal-invasive Chirurgie, entwickelt. Hierbei handelt es sich um Antriebe, mit denen an der Spitze eines Laparoskops verschiedene Werkzeuge positioniert und ausgerichtet werden können. Die Verwendung von fluidischen Antrieben bietet entscheidende Vorteile: zum einen sind hohe Kräfte bei linearen Bewegungen erreichbar und zum anderen können die Antriebe durch einfache Strukturen aufgebaut werden. Zu den wichtigsten Anforderungen an die Antriebe zählen der Stellweg von 20 mm und die erforderliche Stellkraft von 5 N. Diese stellen zusammen mit der geringen Größe des zur Verfügung stehenden Bauraums, die größte Herausforderung für die Auswahl der Aktoren dar. Die Aktoren müssen in einem Instrument mit dem Innendurchmesser von 9 mm eingebaut werden. Dieser Bauraum wird noch durch eine Kanal von 5 mm eingeschränkt, der zur Durchführung von Operationswerkzeugen und deren Zuleitung benötigt wird. Aufgrund der hier gestellten Anforderungen an den mikrofluidischen Antrieb sind grundlegende Untersuchungen zur Leisungsdichte der einzelnen Aktorprinzipien notwendig. Untersucht werden fünf potentielle Lösungen, von denen der elektrochemische Aktor besonders geeignet ist. Es wird die Leistungsdichte von drei verschiedenen elektrochemischen Reaktionen betrachtet, bei denen eine nutzbare mechanische Arbeit entsteht. Dies sind neben der Elektrolyse, die katalytische Verbrennung und die thermische Verbrennung. In praktischen Versuchen, an einem vergrößerten Aktor, werden die berechneten Leistungsdichten verifiziert. * Pneumatik: 222,0 (kW)/(m³) * Elektrolyse: 47,6 (kW)/(m³) * katalytische Verbrennung: 54,1 (kW)/(m³) * thermische Verbrennung: 2119,0 (kW)/(m³) Im Gegensatz zur Pneumatik weisen die Elektrolyse und die katalytische Verbrennung zur Zeit eine geringere Leistungsdichte auf. Dies könnte in Zukunft aber durch die einfachere Miniaturisierung der elektrochemischen Aktoren ausgeglichen werden