Abstract Small-scale robots capable of remote active steering and navigation offer great potential for biomedical applications. However, the current design and manufacturing procedure impede their miniaturization and integration of various diagnostic and therapeutic functionalities. Here, we present a robotic fiber platform for integrating navigation, sensing, and therapeutic functions at a submillimeter scale. These fiber robots consist of ferromagnetic, electrical, optical, and microfluidic components, fabricated with a thermal drawing process. Under magnetic actuation, they can navigate through complex and constrained environments, such as artificial vessels and brain phantoms. Moreover, we utilize Langendorff mouse hearts model, glioblastoma microplatforms, and in vivo mouse models to demonstrate the capabilities of sensing electrophysiology signals and performing localized treatment. Additionally, we demonstrate that the fiber robots can serve as endoscopes with embedded waveguides. These fiber robots provide a versatile platform for targeted multimodal detection and treatment at hard-to-reach locations in a minimally invasive and remotely controllable manner.

Abstract Microstructures of additively manufactured metal parts are crucial since they determine the mechanical properties. The evolution of the microstructures during layer-wise printing is complex due to continuous re-melting and reheating effects. The current approach to studying this phenomenon relies on time-consuming numerical models such as finite element analysis due to the lack of effective sub-surface temperature measurement techniques. Attributed to the miniature footprint, chirped-fiber Bragg grating, a unique type of fiber optical sensor, has great potential to achieve this goal. However, using the traditional demodulation methods, its spatial resolution is limited to the millimeter level. In addition, embedding it during laser additive manufacturing is challenging since the sensor is fragile. This paper implements a machine learning-assisted approach to demodulate the optical signal to thermal distribution and significantly improve spatial resolution to 28.8 µm from the original millimeter level. A sensor embedding technique is also developed to minimize damage to the sensor and part while ensuring close contact. The case study demonstrates the excellent performance of the proposed sensor in measuring sharp thermal gradients and fast cooling rates during the laser powder bed fusion. The developed sensor has a promising potential to study the fundamental physics of metal additive manufacturing processes.

ABSTRACT: Fiber optic technologies such as distributed temperature sensing, distributed strain sensing and distributed acoustic sensing are becoming increasingly commercially available for rock mechanics and soil mechanics studies. However, for applications that require reliable quantitative mapping of subsurface saturation or ice content, these strain or seismic methods must often be augmented with electrical and magnetic methods. Some examples include monitoring the role of saturation in slope stability, as well as geomechanical monitoring in permafrost regions (e.g. for well integrity or infrastructure). Our team has developed novel fiber optic distributed magnetic sensing fibers, which include embedded rods of materials that expand in the presence of magnetic fields, a change known as magnetostriction. These fibers include a single mode core, so they can be connected end-to-end with standard fiber optics, and measured using the same distributed acoustic sensing optical interrogator unit. This talk will cover the design, manufacturing, and practical use of these fibers with multiple magnetostrictive materials embedded. We will show theoretical and numerical models of the fiber response that explain features observed in controlled laboratory experiments, as well as techniques (e.g. Bragg gratings) to improve sensitivity. We will show some initial field trial results and potential deployment styles for multi-physics fiber optic sensing as we move forwards.

Abstract Understanding the cytoarchitecture and wiring of the brain requires improved methods to record and stimulate large groups of neurons with cellular specificity. This requires miniaturized neural interfaces that integrate into brain tissue without altering its properties. Existing neural interface technologies have been shown to provide high-resolution electrophysiological recording with high signal-to-noise ratio. However, with single implantation, the physical properties of these devices limit their access to one, small brain region. To overcome this limitation, we developed a platform that provides three-dimensional coverage of brain tissue through multisite multifunctional fiber-based neural probes guided in a helical scaffold. Chronic recordings from the spatially expandable fiber probes demonstrate the ability of these fiber probes capturing brain activities with a single-unit resolution for long observation times. Furthermore, using Thy1-ChR2-YFP mice we demonstrate the application of our probes in simultaneous recording and optical/chemical modulation of brain activities across distant regions. Similarly, varying electrographic brain activities from different brain regions were detected by our customizable probes in a mouse model of epilepsy, suggesting the potential of using these probes for the investigation of brain disorders such as epilepsy. Ultimately, this technique enables three-dimensional manipulation and mapping of brain activities across distant regions in the deep brain with minimal tissue damage, which can bring new insights for deciphering complex brain functions and dynamics in the near future.

Abstract Flexible and stretchable strain sensors are in high demand in sports performance monitoring, structural health monitoring, and biomedical applications. However, existing stretchable soft sensors, primarily based on soft polymer materials, often suffer from drawbacks, including high hysteresis, low durability, and delayed response. To overcome these limitations, a stretchable miniature fiber sensor comprised of a stretchable core tightly coiled with parallel conductive wires is introduced. This fiber sensor is flexible and stretchable while exhibiting low hysteresis, a remarkable theoretical resolution of 0.015%, a response time of <30 milliseconds, and excellent stability after extensive cycling tests of over 16 000 cycles. To understand and predict the capacitive sensor response of the proposed sensor, an analytical expression is derived and proved to have good agreements with both experimental results and numerical simulation. The potential of the strain sensor as a wearable device is demonstrated by embedding it into belts, gloves, and knee protectors. Additionally, the sensor can extend its applications beyond wearable devices, as demonstrated by its integration into bladder and life safety rope monitoring systems. The sensor is envisioned to have applications in the field of sports performance evaluations, health care monitoring, and structural safety assessments.