تصنيع مقرها قضيب من تخصيص لينة الروبوتية هوائي أجهزة القابض للتلاعب الأنسجة الحساسة

Summary

This protocol describes a rod-based approach, combining 3D-printing and soft lithography techniques for fabricating the soft gripper devices. This approach eliminates the need for an external air source by incorporating a chamber component and reduces the chance of occlusion during the sealing process, particularly for miniaturized pneumatic channels.

Abstract

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations at the point of contact. It can be achieved by complementing traditional rigid grippers with soft robotic pneumatic gripper devices. This manuscript describes a rod-based approach that combined both 3D-printing and a modified soft lithography technique to fabricate the soft pneumatic gripper. In brief, the pneumatic featureless mold with chamber component is 3D-printed and the rods were used to create the pneumatic channels that connect to the chamber. This protocol eliminates the risk of channels occluding during the sealing process and the need for external air source or related control circuit. The soft gripper consists of a chamber filled with air, and one or more gripper arms with a pneumatic channel in each arm connected to the chamber. The pneumatic channel is positioned close to the outer wall to create different stiffness in the gripper arm. Upon compression of the chamber which generates pressure on the pneumatic channel, the gripper arm will bend inward to form a close grip posture because the outer wall area is more compliant. The soft gripper can be inserted into a 3D-printed handling tool with two different control modes for chamber compression: manual gripper mode with a movable piston, and robotic gripper mode with a linear actuator. The double-arm gripper with two actuatable arms was able to pick up objects of sizes up to 2 mm and yet generate lower compressive forces as compared to elastomer-coated and non-coated rigid grippers. The feasibility of having other designs, such as single-arm or hook gripper, was also demonstrated, which further highlighted the customizability of the soft gripper device, and it's potential to be used in delicate surgical manipulation to reduce the risk of tissue grip damage.

Introduction

وأثارت الروبوتات الناعمة مصلحة البحوث كبيرة داخل المجتمع الروبوتات والتي تم استخدامها في مهام وظيفية مختلفة مثل الحركة الموجية في بيئات غير منظم ¹ و ² التي تجتاح. وهي تتألف أساسا من المواد المرنة الناعمة والتي تسيطر عليها تقنيات يشتغل مختلفة من خلال استخدام مواد مختلفة مثل البوليمر electroactive (EAP)، وشكل سبائك الذاكرة (SMA)، أو ضغط السائل ^3. وظيفة EAPs على أساس الجهد التفاضلية التي يدفع القوات كهرباء لإنتاج سلالات نشطة، وبالتالي يولد يشتغل. ينتشر تأثير الذاكرة شكل غريب من SMAS لتوليد يشتغل المطلوب على أساس الجيل قوة خلال التحولات المرحلة على التغير في درجة الحرارة. وأخيرا، مضغوط تقنية السائل يشتغل تسهل استراتيجية تصميم بسيطة للحث على الفرق تصلب في المحركات الناعمة، مثل أن المناطق الأكثر المتوافقة سوف تنتفخعلى الضغط. تم تصميم الروبوتات الناعمة لتوسيع تطبيقات الروبوتات الصلبة التقليدية، خاصة في التطبيقات التي تشترك فيها الكائنات الدقيقة. بشكل خاص، في هذه الورقة، ونحن تقديم النهج الفريد في تطوير القابضون الروبوتية الناعمة للتلاعب الجراحية الدقيقة.

تجتاح الجراحي هو جانب هام تشارك في العديد من العمليات الجراحية مثل الكبد، أمراض النساء، المسالك البولية، والعصبية جراحات إصلاح ^{4 و 5.} وعادة ما يتم تنفيذه من قبل جامدة، والأدوات التي تجتاح الأنسجة الصلب مثل ملقط والممسك بالمنظار لغرض تسهيل الملاحظة، الختان، وإجراءات مفاغرة، وما إلى ذلك، مطلوب الحذر الشديد كما يتم إجراء الأدوات التي تجتاح التقليدية من المعادن التي قد تسبب مجالات تركيز الضغط العالي في الأنسجة اللينة في نقاط الاتصال ^6. اعتمادا على شدة الأضرار الأنسجة، ومضاعفات مختلفة مثل الألم، وندبة المرضية الأنسجة وormation الوقود النووي، وحتى العجز الدائم، قد يؤدي. أفادت دراسة سابقة أن نسبة المضاعفات في جراحة الأعصاب الطرفية كان 3٪ ^7. ولذلك، فإن مفهوم تجتاح الناعمة التي يمكن أن توفر قبضة المتوافقة آمنة يمكن أن يكون مرشح واعد للتلاعب الجراحية الدقيقة.

هنا، نقدم مجموعة من 3D الطباعة وتعديل تقنيات الطباعة الحجرية الناعمة، التي اعتمدت النهج القائم على قضيب، لافتعال تخصيص الناعمة القابضون الهوائية الروبوتية. تقنية تصنيع التقليدية من الروبوتات الناعمة على أساس يشتغل السائل المضغوط يتطلب القالب مع القنوات الهوائية المطبوعة على ذلك وعملية ختم لاغلاق القنوات ^8. ومع ذلك، فإنه ليس من الممكن للروبوتات الناعمة المنمنمة التي تحتاج إلى قنوات هوائية صغيرة حيث انسداد قنوات يمكن أن يحدث بسهولة في عملية الختم. تقنية التقليدية تتطلب ختم القنوات الهوائية مما يتعين القيام به من قبل الرابطة طبقة ختم المغلفة إليها. وبالتالي، فإن لاYER من المواد المرنة التي تعمل في البداية على شكل طبقة الرابطة قد تمتد إلى قنوات صغيرة وتسد تلك القنوات. كما أنه ليس من الممكن وضع القنوات الهوائية في وسط الهيكل والاتصال عنصرا الغرفة باستخدام التقنيات التقليدية. يسمح النهج المقترح إنشاء القنوات الهوائية المنمنمة متصلة الغرفة باستخدام قضبان مليئة بالهواء ولا يحتاج ختم قنوات صغيرة. وبالإضافة إلى ذلك، غرفة متصلة القنوات الهوائية بمثابة مصدر الهواء التي لا تحتاج إلى مصادر الهواء الخارجية ليشتغل السائل المضغوط. فإنه يسمح لكل دليل وسائط التحكم الروبوتية من خلال تسهيل ضغط الغرفة لتحفيز المكون تجتاح، مما يوفر للمستخدمين خيار التحكم في كمية القوة التي كانت تطبق من خلال القابض. هذا النهج هو غاية للتخصيص، ويمكن استخدامها لصنع أنواع مختلفة من التصاميم القابض لينة مثل القابضون مع واحد أو موltiple الأسلحة actuatable.

Protocol

ملاحظة: ملفقة جميع القابضون الهوائية لينة من قبل الصب خليط المرنة القائمة على السيليكون في قوالب مطبوعة 3D حسب الطلب، والتي أعقبت عملية تلفيق تضم ثلاث خطوات: صب المكونات القابض الذراع مع القنوات الهوائية جزءا لا يتجزأ، صب مكون غرفة متصلة القنوات الهوائية وختم المكون غرفة مملوءة بالهواء.

1. إعداد اللدائن

1. وضع وعاء لخلط على نطاق وزنها والفارغة ذلك. صب أجزاء ألف وباء من المطاط الصناعي من مادة السيليكون في حاوية مع نسبة 1: 1 الوزن.
2. تغطية الحاويات وقياس الوزن الكلي.
3. وضع الحاويات والمواد في خلاط الطرد المركزي. ضبط توازن الوزن في الخلاط إلى الوزن يقاس في الخطوة 1.2.
4. تعيين وسائط الخلط ودي-التهوية إلى 2000 دورة في الدقيقة و 2200 دورة في الدقيقة على التوالي لمدة 30 ثانية. خلط مكونات المطاط الصناعي بدقة لتحقيق علاج موحد.

لو "> 2. قالب تصميم وإنتاج

ملاحظة: سوف هندسة القالب تختلف تبعا لمتطلبات محددة لمختلف التطبيقات. توضح الخطوات التالية الخطوات الرئيسية العامة في برنامج CAD المطلوبة لإنشاء عنصر الغرفة والقابض من العفن.

1. تصميم القوالب وختم العفن باستخدام تصميم (CAD) البرمجيات بمساعدة الكمبيوتر. انظر الشكل 1 للهندسة ومحددة أبعاد القوالب المستخدمة في هذه المخطوطة.
   1. تصميم مربع الحدود الخارجية
      1. انقر بزر الماوس الأيمن على متن الطائرة أعلى وانقر على "عادي إلى" الزر لتطبيع إلى الطائرة العليا.
      2. انقر على "رسم" في أعلى الزاوية اليسرى لفتح "رسم" نافذة. ثم، انقر على زر "رسم" في أعلى الزاوية اليسرى من شريط الأدوات رسم قاعدة مستطيلة من عنصر الغرفة.
      3. انقر على ميزة "سمارت البعد"، والذي يقع بجانب زر "رسم"، لتحديد كوروناأبعاد حفر. تأكد من أن رسم يعرف تماما (أي، كل رسم خطوط تصبح سوداء) والخروج من رسم عند الانتهاء.
      4. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "بوس مقذوف / قاعدة" ميزة لقذف ملامح المحدد في Y-الاتجاه.
      5. انقر على السطح العلوي للنموذج تختر مسبقا الطائرة رسم. رسم مستطيل وتحديد الأبعاد كما هو موضح في 2.1.1.2 و2.1.1.3.
      6. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على ميزة "قطع مقذوف" لقذف قطع تجويف لصب اللدائن (الشكل 2A). تأكد من أن سمك الجدار هو 2.5 ملم.
   2. تصميم الغرفة الداخلية
      1. انقر بزر الماوس الأيمن على سطح على Y-اتجاه منطقة الافتتاح. ثم، انقر على "عادي" لتطبيع إلى ذلك السطح.
      2. بعد ذلك، انقر على نافذة "رسم" لرسم مستطيل لمكون الغرفة كما هو موضح في الخطوات 2.1.1.2 و2.1.1.3.
      3. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "بوس مقذوف / قاعدة" ميزة لقذف المكون غرفة في Y-الاتجاه (الشكل 2B).
         ملاحظة: عمق القطع في خطوة 2.1.1.6 هو 2.5 ملم أكبر من هذه القاعدة مقذوف.
   3. تصميم المكون القابض
      1. انقر على سطح هذا النموذج في السلبي X-الاتجاه إلى تختر مسبقا الطائرة رسم لمكون القابض. إنشاء مستطيل في إطار "رسم" كما هو موضح في الخطوات 2.1.1.2 و2.1.1.3.
      2. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "بوس مقذوف / قاعدة" ميزة لقذف كفاف مختارة في السلبية X-الاتجاه.
      3. انقر على السطح العلوي للعنصر القابض لتختر مسبقا الطائرة رسم. إنشاء شكل من القابض في "رسم" نافذة (الشكل 2C) والخروج من رسم عند تعريف أبعاد تماما كما هو موضح في الخطوات 2.1.1.2 لد 2.1.1.3.
      4. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "قص المقذوف" لخفض تجويف لصب اللدائن في مكون القابض. تأكد من أن سمك الجدار هو 2.5 ملم.
   4. تصميم اتصال بين الغرفة والقابض
      1. إنشاء مستطيل في إطار "رسم" على السطح العلوي للقطعة الغرفة كما هو موضح في 2.1.1.2 و2.1.1.3.
      2. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "قص المقذوف" لإنشاء اتصال بين مكونات الغرفة والقابض (الشكل 2D).
   5. تصميم القنوات الهوائية
      1. إنشاء 1.5 ملم دوائر قطرها على سطح قطعة غرفة في إيجابي X-الاتجاه كما هو موضح في الخطوات 2.1.1.2 و2.1.1.3.
      2. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "قص المقذوف" لخلق قنوات للقضبان الأسلاك الإدراج (الشكل 2E). ضمان الحوللا يتم قطع وفاق من خلال عنصر القابض.
2. في ملف منفصل CAD، رسم قالب الختم مع تجويف من الطول والعرض التي هي 1 ملم أكبر من الأبعاد الخارجية للمكون غرفة القابض. ملاحظة: سمك الجدار هو 2.5 ملم.
   1. انقر على نافذة "رسم" لإنشاء مستطيل على متن الطائرة الأولى كما الخطوات الموضحة 2.1.1.2 و2.1.1.3.
   2. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على "بوس مقذوف / قاعدة" ميزة لقذف ملامح المحدد في Y-الاتجاه.
   3. انقر على الوجه العلوي من نموذج لتختر مسبقا الطائرة رسم. رسم مستطيل وتحديد الأبعاد كما هو موضح في الخطوات 2.1.1.2 و2.1.1.3).
   4. انقر على نافذة "الميزات". ثم، انقر على ميزة "قطع مقذوف" لقذف قطع تجويف لصب اللدائن. تأكد من أن سمك الجدار هو 2.5 ملم.
3. حفظ كل قطعة القالب كملف. STL للطباعة 3D.
4. تحميل الملف. STL في الطابعة 3D مع قرار من 30 ميكرون وطباعة قالب قطع ^9.
5. إزالة أي مواد الدعم على العفن القطع وغسل قطع قالب بالماء.

3. لينة واحدة / مزدوجة-actuatable القابضون ذراع تعمل بالهواء المضغوط

1. صب المكونات القابض الذراع مع القنوات الهوائية جزءا لا يتجزأ من
   1. إدراج اثنين من غرفة لبنات مطبوعة 3D على الجانب الأيسر والأيمن من العنصر غرفة (الشكل 3A) من أجل توليد غرفة مغلقة مع القنوات الهوائية المتصلة به.
   2. إدراج اثنين من قضبان 1.5 مم القطر التيتانيوم الأسلاك من خلال الغرفة، الحفاظ على مسافة 2 مم من النصائح القابض لإنشاء القنوات الهوائية (الشكل 3A). ملاحظة: استخدم أحد الأسلاك لالقابض واحد actuatable الذراع.
   3. صب خليط من اللدائن المرنة في القالب لملء بالكامل المكون القابض.
   4. ضمان عدم وجود فقاعات الهواء مرئية الحاضر.
   5. PLACالبريد القالب في الفرن لعلاج عند 60 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة. بمجرد أن يتم الشفاء المطاط الصناعي، وإزالة القالب من الفرن.
2. مكون غرفة الصب متصلا القنوات الهوائية
   1. سحب قضبان الأسلاك وتزرع مجلسين الخروج من القالب.
   2. وضع المطبوعة 3D-القابض كتلة على رأس المكون القابض من أجل إنشاء غرفة (الشكل 3B). إدراج قضبان الأسلاك لمنع الثقوب في جدار القالب.
   3. صب خليط من اللدائن المرنة في القالب لملء الجزء المتبقي من عنصر الغرفة والتأكد من عدم وجود فقاعات الهواء مرئية المحاصرين في القالب.
   4. علاج الجزء عند درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة. إزالة القالب من الفرن مرة واحدة يتم الشفاء المطاط الصناعي.
   5. إزالة القابض كتلة وdemold القابض الشفاء التام مع هيكل الغرفة.
3. ختم المكون غرفة مملوءة بالهواء
   1. صب خليط من اللدائن المرنة في قالب الختم وعلاجه عند 60 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
   2. فرشاة طبقة من المواد المرنة على الشفاء 2.5 ملم ختم طبقة. ضع القابض علاجه مع هيكل غرفة في أعلى طبقة ختم المغلفة والسندات قطعتين معا (الشكل 3C).
   3. وفي وقت لاحق، وعلاج هيكل كامل تماما عند 60 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
   4. Demold لينة جهاز القابض الروبوتية الشفاء التام.

4. الإدراج من جهاز لينة الروبوتية هوائي القابض إلى أداة المناولة

1. تصميم التعامل مع الأدوات كما هو موضح في الملف التكميلي 1 باستخدام برامج CAD وحفظه في ملف. STL. انظر الشكلين 4 و 5 لأبعاد الأدوات.
2. تحميل الملف. STL في الطابعة 3D وطباعة قالب قطع ^9.
   ملاحظة: يمكن الانتهاء من جميع الخطوات طباعة لغسل التعامل مع أداة التحكم، وكأب مستطيلة، ومكبس متحرك (الشكل 4) في غضون 3 ساعة 48 دقيقة. العلاقات العامةالوقت inting لافتعال السيطرة الآلية أداة وغطاء مستطيل التعامل مع (الشكل 5) هو 1 ساعة 56 دقيقة. رؤية الملف التكميلي 2 للحصول على تعليمات تشغيل طابعة 3D.
3. تقشر أي مواد الدعم على الأدوات بعد الانتهاء من الطباعة. ثم، وغسل الأدوات بالماء.
4. إدراج القابض في اليدوي أداة التحكم (الشكل 4A) وتغطية المنطقة الافتتاح مع قبعة مستطيلة المنقولة (الشكل 4B).
5. إدراج مكبس متحرك (الشكل 4C) لتسهيل ضغط الغرفة.
6. إدراج القابض والمحرك الخطي في الروبوتية أداة معالجة التحكم (الشكل 5A). ملاحظة: المحرك الخطي محل مكبس متحرك في وضع التحكم اليدوي لضغط الغرفة.
7. تغطية المنطقة الافتتاح مع قبعة مستطيلة المنقولة (الشكل 5B).

5. تقييم وقبضة اختبار الانضغاط

1. تقييموظيفة القابض لينة عن طريق إجراء اختبارات تجتاح بسلك الطائر.
   1. وضع الأسلاك العبور على الطاولة.
   2. ضبط القابض بحيث يكون السلك بين اثنين من الأسلحة القابض.
   3. نقل مكبس متحرك لضغط الغرفة من أجل تحفيز الأسلحة القابض لعقد السلك.
      ملاحظة: يتم استخدام أداة التحكم اليدوي التعامل مع فقط في المظاهرة التي تجتاح.
   4. عقد ونقل الأسلاك إلى مربع تقع في 20 سم بعيدا عن موقع الأسلاك الأصلي.
2. وضع معايرة المقاوم قوة الاستشعار بين فكي القابض. ضمان قبضة فكي القابض على منطقة الاستشعار عن بعد. ملاحظة: قطر المنطقة الاستشعار هي 14.7 ملم.
3. ضغط الغرفة لتحفيز الأسلحة القابض على قبضة على المقاوم قوة الاستشعار عن بعد.
4. قياس الحد الأقصى للقوات قبضة ضغطي أن ينة actuatable ذراع واحد ومزدوج actuatable الذراع القابضون الهوائية يمكن أن تولد كما هو موضح في ¹⁰.
   ملاحظة: سيتم عرض القيم قراءات على جهاز كمبيوتر محمول. يتم قياس قوات قبضة ضغطي القصوى عند نقطة أقصى قدر من الضغط الذي القنوات الهوائية يمكن أن تصمد.
5. قطع فكي تجتاح المرنة الفردية من لينة انقر نقرا مزدوجا actuatable ذراع القابض الهوائية.
6. إدراج ملقط نصائح في القنوات الهوائية من بين فكي تجتاح المرنة.
7. وضع معايرة المقاوم قوة الاستشعار بين فكي ملقط.
8. قياس القوى الضاغطة ¹⁰ التي تم إنشاؤها بواسطة ملقط وملقط المغلفة المطاط الصناعي خلال الجراحة العصبية محاكاة أجراها جراح الاعصاب.
   ملاحظة: جراح الاعصاب ينطبق قوة مشابه لما كان يطبق عادة أثناء الجراحة الفعلية على المقاوم قوة الاستشعار عن بعد.
9. متوسط ​​البيانات التي تم الحصول عليها من خمس تجارب في كل اختبار.

النتائج

وكانت أجهزة القابض الهوائية الروبوتية الناعمة القادرة على التقاط الأشياء ذات أبعاد تصل إلى 1.2 ملم وقطرها (الشكل 6). كانت أقصى قوة ضاغطة قبضة لدت قبل أحادية actuatable الذراع، ومزدوج actuatable الذراع أجهزة القابض الناعمة 0.27 ± 0.07 N و 0.79 ± 0.14 N على التوال?...

Discussion

لقد أثبتنا بنجاح أن الناعمة الروبوتية الأجهزة القابض هوائي يسمح تجتاح متوافقة من الكائنات، التي تمارسها قوات الضغط أقل من ذلك بكثير على الكائن يجتاح من ملقط نصائح المغلفة المطاط الصناعي وملقط المبذولة. ملقط هي أداة أساسية للأعصاب التلاعب خلال إصلاح الأعصاب الطرفية...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Weighing Scale	Severin	KW3667	(Step: Preparation of elastomers)
Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer	Smooth-On	EF0030	(Step: Preparation of elastomers)
Planetary Centrifugal Mixer and Containers	THINKY USA Inc.	ARE-310	(Step: Preparation of elastomers)
Solidworks CAD	Dassault Systèmes	Solidworks Research Subscription	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Objet 3D Printer	Stratasys	260 Connex2	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Titanium Wire Rods	Titan Engineering	N/A	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Natural Convection Oven with Timer	Thermo Fisher Scientific	BIN#ED53	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Linear Actuator	Firgelli Technologies	L12	(Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool)
Jumper Wire	sgbotic	CAB-01146	(Step: Evaluations and grip compressive test)
Force Sensing Resistor	Interlink Electronics	FSR402	(Step: Evaluations and grip compressive test)