<p>Soft pneumatic actuators allow compliant force application and movement for a variety of tasks. While most soft actuators have compliance in directions perpendicular to their direction of force application, they are most often analyzed only in their direction of actuation. In this work, we show a characterization of a soft 3D printed bellows actuator that considers shear and axial deformations, modeling both active and passive degrees of freedom. We build a model based on actuator geometry and a parallel linear and torsional spring system which we fit to experimental data in order to obtain the model constants. We demonstrate this model on two complex parallel networks, a delta mechanism and a floating actuator mechanism, and show how this single actuator model can be used to better predict movements in parallel structures of actuators. These results verify that the presented model and modeling approach can be used to speed up the design and simulation of more complex soft robot models by characterizing both active and passive forces of their one degree-of-freedom soft actuators.<br> </p>

La radiothérapie stéréotaxique corporelle (SBRT) est une technique couramment employée pour le traitement de tumeurs aux poumons lorsque la chirurgie n’est pas possible ou refusée par le patient. Une complication de l’utilisation de cette méthode provient du mouvement de la tumeur causé par la respiration. Dans ce contexte, la radiothérapie asservie à la respiration (RGRT) peut être bénéfique. Toutefois, la RGRT augmente le temps de traitement en raison de la plus petite proportion de temps pour laquelle le faisceau est actif. En utilisant un faisceau de photons sans filtre égalisateur (FFF), ce problème peut être compensé par le débit de dose plus élevé d’un faisceau FFF. Ce mémoire traite de la faisabilité d’employer la technique de RGRT en combinaison avec l’utilisation un faisceau FFF sur un accélérateur Synergy S (Elekta, Stockholm, Suède) avec une ceinture pneumatique, le Bellows Belt (Philips, Amsterdam, Pays-Bas), comme dispositif de suivi du signal respiratoire. Un Synergy S a été modifié afin de pouvoir livrer un faisceau 6 MV FFF. Des mesures de profils de dose et de rendements en profondeur ont été acquises en cuve à eau pour différentes tailles de champs. Ces mesures ont été utilisées pour créer un modèle du faisceau 6 MV FFF dans le système de planification de traitement Pinnacle3 de Philips. Les mesures ont été comparées au modèle à l’aide de l’analyse gamma avec un critère de 2%, 2 mm. Par la suite, cinq plans SBRT avec thérapie en arc par modulation volumétrique (VMAT) ont été créés avec le modèle 6 MV du Synergy S, avec et sans filtre. Une comparaison des paramètres dosimétriques a été réalisée entre les plans avec et sans filtre pour évaluer la qualité des plans FFF. Les résultats révèlent qu’il est possible de créer des plans SBRT VMAT avec le faisceau 6 MV FFF du Synergy S qui sont cliniquement acceptables (les crières du Radiation Therapy Oncology Group 0618 sont respectés). Aussi, une interface physique de RGRT a été mise au point pour remplir deux fonctions : lire le signal numérique de la ceinture pneumatique Bellows Belt et envoyer une commande d’irradiation binaire au linac. L’activation/désactivation du faisceau du linac se fait par l’entremise d’un relais électromécanique. L’interface comprend un circuit électronique imprimé fait maison qui fonctionne en tandem avec un Raspberry Pi. Un logiciel de RGRT a été développé pour opérer sur le Raspberry Pi. Celui-ci affiche le signal numérique du Bellows Belt et donne l’option de choisir les limites supérieure et inférieure de la fenêtre d’irradiation, de sorte que lorsque le signal de la ceinture se trouve entre ces limites, le faisceau est actif, et inversement lorsque le signal est hors de ces limites. Le logiciel envoie donc une commande d’irradiation au linac de manière automatique en fonction de l’amplitude du signal respiratoire. Finalement, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un autre plan standard sans RGRT sans filtre démontre que le temps de traitement en mode FFF est réduit en moyenne de 54.1% pour un arc. De la même manière, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un plan de RGRT (fenêtre d’irradiation de 75%) sans filtre montre que le temps de traitement de RGRT en mode FFF est réduit en moyenne de 27.3% par arc. Toutefois, il n’a pas été possible de livrer des traitements de RGRT avec une fenêtre de moins de 75%. Le linac ne supporte pas une fréquence d’arrêts élevée. / Stereotactic body radiation therapy (SBRT) is a technique commonly employed for treatment of lung tumors when surgery is not possible or not accepted by the patient. One complication arising from the use of this method comes from the movement of the tumor during respiration. In this context, respiratory gated radiation therapy (RGRT) can be beneficial. By using a flattening filter free (FFF) photon beam, the increase in treatment time caused by a reduced beam-on time of respiratory gated methods can be compensated by the inherent increased dose rate of FFF beams. This thesis reports on the feasibility of using the RGRT technique in combination with the use of a FFF photon beam on a Synergy S (Elekta, Stockholm, Sweden) linear accelerator with a pneumatic belt, the Bellows Belt (Philips, Amsterdam, Netherlands), to monitor the patient’s respiratory signal. A Synergy S has been modified to deliver a 6 MV FFF photon beam. Dose profile and percentage depth dose measurements were taken in a water tank for different field sizes. Those measurements were used to create a model for the 6 MV FFF beam with the Pinnacle3 treatment planning system from Philips. Measurements were compared with the model using gamma index analysis with a 2%, 2 mm criterion. Then, five SBRT plans with volumetric modulated arc therapy (VMAT) were created in Pinnacle3 with the 6 MV Synergy S model, with and without a flattening filter. A comparison of dosimetric parameters was made between plans with and without a flattening filter to estimate the quality of the FFF plans. Results reveal that it is possible to create SBRT VMAT plans with the 6 MV FFF model of the Synergy S that are clinically acceptable (criteria of the Radiation Therapy Oncology Group 0618 were respected). Also, a RGRT hardware interface was created to fulfill two main functions: read the digital signal from the Bellows Belt pneumatic belt and send an on/off irradiation command to the linac. The activation/deactivation of the beam is regulated by an electromechanical relay. The interface is composed of a homemade printed circuit board that functions with a Raspberry Pi. A RGRT software was also developed to operate on the Raspberry Pi. This software shows the Bellows Belt’s digital signal and gives the option of choosing the upper and lower limits of the gating window. When the respiratory signal of the belt is between those limits, the beam is active, and vice versa when the signal is outside those limits. The software thus effectively sends an on/off irradiation command automatically to the linac depending on the amplitude of the respiratory signal. Finally, a comparison between the delivery of a standard plan without RGRT, with filter, and another standard plan without RGRT, without filter, shows that the treatment time for plans using the FFF beam is reduced by 54.1% on average for one arc. Similarly, a comparison between the delivery of a standard plan without RGRT, with filter, and a gated plan (gating window of 75%), without filter, shows that the treatment time for the gated treatments is reduced by 27.3% on average for one arc. However, it was not possible to deliver RGRT treatments with a gating window smaller than 75%. The linac does not support such a high frequency of beam halting.

Ce travail consiste à développer un système convertissant une partie de l’énergie mécanique du cœur en électricité pour alimenter les stimulateurs cardiaques de nouvelle génération, implants sans sonde ni batteries implantés directement dans la cavité cardiaque. Après études de différentes sources d’énergies et concept associés, l’option liée à la pression sanguine, appliquant sur une partie souple du boîtier de l’implant des efforts transmis à un transducteur interne les convertissant en électricité, s’est révélée la plus prometteuse. Cette solution présente les avantages principaux suivants par rapport aux systèmes inertiels usuels : grande densité de puissance, adaptabilité au rythme cardiaque et potentiel de miniaturisation. Un boîtier ultra-souple électro-déposé de 10 µm d’épaisseur en forme de soufflet a été modélisé, fabriqué et caractérisé, validant ainsi le concept de récupérateur proposé. Un transducteur électrostatique novateur (3D multicouche à peignes interdigités et à chevauchement hors-plan), étudié par des modélisations analytiques et numériques, est en cours de fabrication. Selon l’électronique associée, ce transducteur promet une grande densité d’énergie extraite. Un transducteur piézoélectrique micro-usiné en forme de spirale et à électrodes micro-structurées, est également présenté. Les défis spécifiques des spirales dontla flexibilité permet d’augmenter l’énergie mécanique d’entrée sont étudiés notamment par simulation numériques, et des prototypes ont été micro-fabriqués et caractérisés. Au final, une énergie de 3 µJ/cm3/cycle est obtenue et de nombreuses perspectives d’amélioration permettent d’envisager une puissance au moins 10 fois supérieure. / This work consists in the development and design of an energy harvesting device to supply power to the new generation pacemakers, miniaturized leadless implants without battery placed directly in heart chambers. After analyzing different mechanical energy sources in the cardiac environment and associated energy harvesting mechanisms, a concept based on regular blood pressure variation stood out: an implant with a flexible packaging that transmits blood forces to an internal transducer. Advantages compared to traditional inertial scavengers are mainly: greater power density, adaptability to heartbeat frequency changes and miniaturization potential. Ultra-flexible 10-µm thin metal bellows have been designed, fabricated and tested. These prototypes acting as implant packaging that deforms under blood pressure actuation have validated the proposed harvesting concept. A new type of electrostatic transducer (3D multi-layer out-of-plane overlap structure with interdigitated combs) has been introduced and fully analyzed. Promising numerical results and associated fabrication processes are presented. Also, large stroke optimized piezoelectric spiral transducers including their complex electrodes patterns have been studied through a design analysis, numerical simulations, prototype fabrication and experimental testing. Apower density of 3 µJ/cm3/cycle has been experimentally achieved. With further addressed developments, the proposed device should provide enough energy to power autonomously and virtually perpetually the next generation of pacemakers.

In a quest to design novel deployable structures, flexible polyhedra provide interesting insights. This work follows the discovery of flexible polyhedra and aims to make flexible polyhedra more useful. The dissertation describes how flexible polyhedra can be made. The flexible polyhedra first considered in this dissertation have a rotational degree of freedom. The range of this rotational movement is measured and maximised in this work by numerical maximisation. All polyhedra are established computationally: an iterative solution method is used to find vertex coordinates; several clash detecting methods are described to define whether each rotational position of a flexible polyhedron is physically possible; then a range of motion is defined between occurrences of clashes at the two ends; finally, an optimisation tool is used to maximise the range of motion. By using these tools, the range of motion of two types of simplest flexible polyhedra are maximised. The first type is a series of flexible polyhedra generalised from the Steffen flexible polyhedron. The range of motion of this type is improved to double that of Steffen’s original, from 27° to 59°. Another type of flexible polyhedron is expanded from a model provided by Tachi. Based on the understanding of Steffen’s flexible polyhedron, optimisation parameters are carefully given. This new type has achieved a wider range of motion, so now the range of motion of flexible polyhedron is tripled to 80°. After enlarging the range of motion of the degree of freedom in the 1-dof systems, the dissertation found multiple degrees of freedom in one polyhedron. The multiple mechanisms can be even repetitive, so that an n-dof polyhedron is found. A polyhedron of two degrees of freedom is first presented. Then, a unit cell for any number of mechanisms is found. As a repetitive structure, a 3-dof polyhedron is presented. Finally, this work presents the possibility of configuring a flexible polyhedral torus and a closed polyhedral surface that is able to flex without the need to stop.

Práce se zabývá návrhem magnetoreologické (MR) vzpěry vibroizolačního systému (VIS) pro kosmický nosič. V rešeršní části jsou popsány vybrané VIS a vzpěry těchto systémů, které byly v kosmických nosičích využity v minulosti. Každá z těchto vzpěr obsahující kapalinu byla těsněna pomocí statických těsnění a pružných vlnovců vyrobených z oceli. Důkladněji byla analyzována vzpěra pasivního systému VIS s označením ELVIS, jehož konstrukce se stala inspirací pro tuto práci. Jedná se o tříparametrický systém, v němž je tlumič uložen na pružině, jejíž tuhost přibližně odpovídá objemové tuhosti vlnovců respektive jejímu průmětu do axiálního směru (pressure thrust stiffness). V práci je představena metodika pro stanovení “pressure thrust stiffness” na základě geometrie vlnovce a také uvedeny parametry vlnovce díky kterým je možné měnit poměr mezi axiální a “pressure thrust stiffness” vlnovce. Tento poměr ovlivňuje v dané koncepci vzpěry její dynamické chování a tím i chování celého VIS. Pro predikci dynamického chování vzpěry byl vytvořen multi-body model VIS založeného na Stewartově plošině a detailnější model jediné vzpěry. Simulace provedené v tomto modelu odhalily parametry, které mají vliv na výkonost tlumiče ve VIS: časová odezva a dynamický rozsah. Díky modelu byl určen rozsah těchto parametrů, ve kterých bude zaručena efektivní funkce vzpěry ve VIS, konkrétně: časová odezva: 0-5ms, dynamický rozsah: 5-10. Před finálním návrhem vzpěry byla sestrojena vzpěra experimentální vzpěra, jejíž parametry byly přesně naměřeny a využity pro verifikaci jednotlivých modelů. Poznatky získané během experimentů byly využity při návrhu finální vzpěry. Jeden z nejdůležitějších poznatků byla nutnost náhrady feritového magnetického obvodu s ohledem na jeho křehkost. Proto byl odvozen tvarový přístup k navrhování rychlých magnetických obvodů z oceli s využitím 3D tisku, který byl následně patentován. Navržená vzpěra obsahuje magnetoreologický ventil jehož odezva je predikována na 1.2 ms a dynamický rozsah 10. V závěru práce je představena metodika, díky které byla vzpěra navržena.

Summaries in Afrikaans and English. / Hierdie studie fokus op ‘n interpretasie van die Beni Hasanmuurskildery en meegaande inskripsie wat in Graf BH3 in Egipte ontdek is. Die skildery dateer uit ongeveer 1892 v.C. en kom voor in die graftombe van die provinsiale goewerneur van die Oryxprovinsie – Khnum-hotep II. Met die muurskildery en inskripsie deur die koninklike hofskrywer Neferhotep as vertrekpunt en teoretiese raamwerk, word daar ‘n kwalitatiewe ondersoek gedoen na die herkoms, identiteit en rol van die handelaars en ander items, veral oogverf, wat in die skildery uitgebeeld word. Benewens die interpretasie van die Beni Hasanmuurskildery, steun die studie ook op beskikbare inligting in eietydse teologiese- en argeologiese publikasies. Deur ‘n multi-dissiplinêre benadering te volg, word daar gepoog om meer inligting te bekom oor die geografiese ligging en argitektuur van Graf BH3, die belangrikheid van graf-outobiografie, die identiteit van die handelaars en die doel van hulle besoek. Dit blyk dat die muurskildery ‘n belangrike gebeurtenis in Egipte en die Semitiese wêreld van die pre-monargale tydperk uitbeeld, en meer spesifiek die tyd en konteks waarin verhale van die sogenaamde ‘aartsvaders’, soos hulle in die Hebreeuse Bybel beskryf word, afgespeel het. Aangesien daar ‘n gebrek aan argeologiese en geskrewe (Bybelse en buite-Bybelse) bronne oor die proto-Israelitiese samelewing bestaan, hoop die studie om ‘n bydrae te lewer tot navorsing oor die tydperk, en veral die verhouding tussen die Semiete en Egiptenare. Spesiale aandag word gegee aan die uiterlike voorkoms van die handelaars en goewerneur, en aan die aard en funksie van elke gebruiksartikel wat in die skildery uitgebeeld word, soos die kleredrag, donkies, wapens en musiek-instrumente. Omdat daar in die inskripsie spesifiek melding gemaak word van oogverf, word die belangrikheid van oogverf ten opsigte van magies-religieuse, kultiese, mediese, begrafnis-, ekonomiese (handels-) en kosmetiese gebruike, asook die vervaardiging en samestelling daarvan, breedvoerig ondersoek / This study focuses on an interpretation of the Beni Hasan mural and accompanying inscription discovered in Tomb BH3 in Egypt. The painting dates back to about 1892 BC and is found in the tomb of the provincial governor of the Oryx province - Khnum-hotep II. With the mural and inscription by the royal court writer Neferhotep as point of departure and theoretical framework, a qualitative inquiry is made into the provenance, identity and role of the merchants and other items, especially eye painting, depicted in the painting. In addition to interpreting the Beni Hasan mural, the study also relies on available information in contemporary theological and archaeological publications. By following a multi-disciplinary approach, an attempt is made to obtain more information about the geographical location and architecture of Tomb BH3, the importance of tomb autobiography, the identity of the merchants and the purpose of their visit. It appears that the mural depicts an important event in Egypt and the Semitic world of the pre-monarchic period, and more specifically the time and context in which stories of the so-called 'patriarchs', as described in the Hebrew Bible, played. As there is a lack of archaeological and written (biblical and extra-biblical) sources on proto-Israelite society, the study hopes to contribute to research on the period, and especially the relationship between the Semites and Egyptians. Special attention is paid to the external appearance of the merchants and the governor, and to the nature and function of each commodity depicted in the painting, such as the dress, donkeys, weapons and musical instruments. Because the inscription specifically mentions eye makeup, the importance of eye makeup with regard to magical-religious, cultural, medical, economic (trade) and cosmetic uses, as well as the manufacture and composition thereof, is extensively investigated. / Biblical and Ancient Studies / D. Th. (Godsdienswetenskap)