Gobheart

Prénoms : Guimier Romain, LALEU Mathis, PLANCHET Mathis

Inspiration : Entreprise : PROCOPS Médical

Introduction

- Pourquoi ?

Ces dernières années, le nombre de personnes ayant un cœur artificiel a drastiquement augmenté et la demande continue de s’agrandir. Désormais, plus de 1500 personnes dans le monde vivent avec un cœur artificiel. Le cœur artificiel permet de remplacer les cœurs qui ne fonctionnent plus. C’est dans ce contexte d’augmentation de la demande en cœur artificiel que nous avons décider de créer un prototype qui simule le fonctionnement d’un ventricule. Pour cela nous allons utiliser la soft robotique car elle se distingue par sa flexibilité et sa conformité par rapport à la robotique classique. La soft robotique permet de créer des systèmes qui peuvent se déformer, se plier et s’étirer ce qui est idéal dans le cadre de notre projet. Dans le monde des technologie médicale, la soft robotique a un réel intérêt de part sa souplesse et sa délicatesse.

De plus, notre Gobheart se comporte davantage comme un vrai cœur, en effet il n’est pas constitué de pompe comme les cœurs artificiels actuels, mais utilise de vraies contractions pour propulser le liquide.

- Comment ?

Nous avons décidé de créer un cœur/ une membrane en silicone grâce à un moule créé par une imprimante 3D ( à la base ). Le cœur humain est un organe complexe. Nous simplifions déjà le projet en ciblant qu’une partie du cœur : un ventricule muni de deux valves. Ces valves permettent l’arrivée et le départ de l’eau. De plus, un système de gonflage de ballons est mis en place afin d’imiter les battements de celui-ci pour créer des contractions pour réduire le volume intérieur de notre membrane et pouvoir projeter le liquide.

                                          Schéma de notre cœur artificiel GOBHEART

Prototype

Le projet de cœur artificiel nécessite par sa complexité un prototype qui permet de bien cerner les difficultés du projet. Pour cela on a modélisé le cœur par un ballon vert qui est compressé par 3 muscles de type McKibben que l’on gonfle manuellement. L’eau éjectée du cœur par la compression est amenée dans un autre gobelet.

Membrane en silicone

Nous avons décidé de modéliser le ventricule humain par une membrane en silicone. Pour cela, il nous faut créer un moule sur-mesure grâce à une imprimante 3D.

Nous avions décidé de couler le silicone en deux parties (haut et bas) puis de les joindre.

Ainsi, nous avons créé un moule haut et bas. Nous avons pour chaque partie une coque extérieure et intérieure. La coque intérieure étant suspendu grâce à deux tiges sur les côtés pouvant s’emboiter dans la coque extérieure (grâce à deux gouttières). Le silicone aurait ainsi pu couler entre les deux coques.

Il était prévu de se servir des coques extérieures comme du réceptacle pour le cœur en silicone ainsi que les ballons servant à le comprimer. Ainsi les parties haute et basse extérieures (pièces au centre de l’image) disposes d’embout pouvant s’emboîter pour le fermer le réceptacle.

Le couvercle du réceptacle dispose de sept trous. Les deux au centre servant d’entrée sortie du liquide. Les cinq autres en périphérie permettant de laisser passer les tuyaux d’alimentation en air des ballons.

De gauche à droite : Partie intérieure du couvercle, partie extérieure du couvercle, partie extérieure du bas, partie intérieure du bas.

Cependant, l’imprimante 3D n’a pas pu créer le moule dans le temps imparti. Nous avons donc dû changer de technique et passer sur une méthode plus manuelle.

L’imprimante 3D s’est arrêtée sans aucune raison.

Nous avons donc pris deux gobelets ; nous en avons suspendu un au-dessus de l’autre et nous avons coulé le silicone entre les 2.

Malheureusement, lors du démoulage, nous avons constaté la présence d’un trou et d’une fragilité structurelle sur environ 1/4 de la circonférence du silicone. Nous avons donc entrepris de le renforcer en appliquant un patch de silicone.

Le moule improvisé avec des gobelets

Le silicone avec son patch

Nous avons également dû réaliser un couvercle, comportant une entrée pour le liquide.

Le couvercle en silicone avant d’être collé sur le cœur

Coque extérieure rigide

Nous avons par ailleurs dû revoir notre réceptacle (qui est très important, car c’est lui qui fait que les ballons compriment le silicone et ne partent pas vers l’extérieur).

Le choix a été fait de construire une boîte en carton comportant quatre trous permettant de laisser passer les arrivées d’air.

Notre réceptacle en carton avec les connexions au système d’air.

Système de compression

Nous avons décidé de modéliser les battements du cœur par un système de compression.

Le système de compression est entièrement automatisé.

Système de compression avec 1 seul ballon

Nous avons automatisé le système grâce aux composants suivants : un transistor MOSFET, une mini électrovanne, une diode 1n4007, une carte arduino Mega, une pompe à air et un tube qui alimente le ballon dans le McKibben. Nous avons ensuite testé notre système avec 2 puis 3 puis 4 ballons. Notre soucis était maintenant la dérivation des tubes d’air : il y avait trop de ballon pour une seule pompe. Nous avons donc doublé notre montage avec 2 pompes et 2 électrovannes pour faire deux circuits d’air distincts.

Le mécanisme nous permet de gonfler et de dégonfler les ballons dans les McKibbens comme le montre la vidéo suivante :

Nous avons ensuite cherché à augmenter le volume de gonflement de nos ballons en modifiant nos McKibben. Ainsi nous sommes arrivés à cette forme qui permet de plus gonfler :

avant gonflement

après gonflement

Ainsi, en combinant nos ballons, notre coque rigide et la membrane, on obtient un système qui fonctionne assez bien :

Schéma électrique ainsi que pneumatique

Nous avons constaté que les ballons pouvaient soulever la membrane en silicone, nous avons donc ajouté une tige en bois au-dessus pour contraindre la compression dans la direction souhaitée.

Résultat final

Après avoir testé puis perfectionné l’étanchéité du gobheart, nous sommes parvenus à obtenir une compression efficace qui permet d’obtenir un résultat très satisfaisant :

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Difficultés rencontrées

- - - - Créer un moule pour réaliser l’enveloppe du cœur en silicone : on a d’abord essayé de créer le moule par impression 3D, mais cette dernière n’a pas aboutiAssurer l’étanchéité du cœur en silicone : on a dû réaliser des patchs à plusieurs reprises pour obtenir un gobheart étanche
    - - Confectionner un système qui permette d’automatiser la compression du cœur : on a d’abord voulu utiliser un plus gros modèle d’électrovanne qui n’a pas fonctionné
      - obtenir un volume de gonflement optimal pour les ballons afin de comprimer suffisamment le cœur

Ce que nous avons appris

- - utiliser arduino pour automatiser des pompes
  - mouler des objets en silicone
  - manipuler des pompes et des éléctrovannes

Perspectives

- - - - pomper plus rapidement afin d’atteindre la cadence d’un vrai coeurcréer un circuit d’eau fermé afin de pouvoir pomper en boucle du liquide sans avoir à remplir le gobheart
      - améliorer l’ésthétique du gobheart afin qu’il ressemble plus à un coeur, potentiellement via une impression 3D
    - - créer une deuxième poche en silicone afin de réellement modéliser le coeur et ses deux ventricules
      - utiliser des matériaux bio-compatibles, qui peuvent être intégrés à un organisme humain

Annexes

Le modèle 3D du moule