This work was supported by the EC within the framework of the STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project (#287728).

הערה: פרוטוקול זה מתאר את שלבי הייצור של מודול בודד, הכולל את תאי fluidic, התקשות ערוץ, צינורות actuation ונדן חיצוני. ההליך הבא חייבת להתבצע מתחת למכסת מנוע קטר ולובש חלוקים וכפפות מטעמי בטיחות. כאמור, תהליך הייצור של יחידת אלסטומרי מבוסס על השימוש רציף של תבניות מעוצבות עם תוכנות CAD. הם מורכבים מחתיכות 13 מוצגות באיור 2 ומפורטות בטבלה 1. 1. הכנת סיליקון <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שוקל 12 גרם של חלק ו -12 גרם של חלק ב &#39;באותו כוס הפלסטיק או צלחת פטרי ומערבבים אותם ביחד, תוך בחישה. הערה: פרופורציות חומר יכולות להשתנות בהתאם לסיליקון הספציפי בשימוש, במקרה זה מורכב משני חלקים: חלק א &#39;(הבסיס) וחלק ב&#39; (הזרז). הם משמשים ב1A פרופורציה: 1B במשקל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את הכוס המכילה התמהילחומרי סיליקון אד במכונה מסלק גזים בלחץ ואקום בר 1. שמור את הכוס תחת ואקום עד שכל הבועות יוסרו מחומר סיליקון. לסיליקון המועסק תהליך סילוק הגזים לוקח בערך 10 דקות. ברגע שהחומרים הם חופשיים לחלוטין מהנוכחות של בועות, לשחזר את לחץ אטמוספרי למכונה ולהשתמש בסיליקון. </li></ol> 2. ייצור של מודול Siliconic <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עצרת של העובש. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את גליל התקשות וחלק העליון של התאים לתוך cap_A (איור 3 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סגור את הפגזים סביב השכבה השנייה של cap_A. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליהוק סיליקון ראשון. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים את סיליקון בתוך התבנית עד התאסף לקצה של הפגזים (3 ב איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את התבנית בתנור על 60 מעלות צלזיוס במשך כ -30 דקות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סידור מחדש של העובש. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הפגזים החיצוניים וcap_A (איור 3ג). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הגלילים מהבסיסים של התאים וגליל התקשות בתוך cap_B (3D איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סגור את הפגזים שוב סביב מודול, מחליק אותם 10 מ&quot;מ כלפי מעלה כדי שיהיה לי פער של 10 מ&quot;מ בין המשטח העליון של מודול ואת הקצוות של הפגזים (3E איור). </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליהוק סיליקון שני. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים את סיליקון בתוך התבנית עד מחדש לקצה של הפגזים בצד העליון (איור 3F) (גם עד גליל ההתקשות כלומר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים את התבנית לתנור על 60 מעלות צלזיוס במשך כ -30 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הפגזים החיצוניים, cap_B והתאים (למעט גליל ההתקשות) (3G איור). </li></ol></li></ol> 3. החדרת צינורות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותך 3 צינורות לאותו אורך רצוי (300 מ&quot;מ לדוגמא). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים דבק siliconic סביב קצה אחד של צינור אחד במשך 10 מ&quot;מ, ללא אובstructing הצינורות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הצינורות בתוך 2 מ&quot;מ מוקדש ערוצים ביחידת siliconic (3H איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאפשר זמן ריפוי של 12 דקות בטמפרטורת חדר או לשים את המודול בתוך תנור בטמפרטורה גבוהה (50 ° - 60 °) כדי לזרז את תהליך הייבוש. </li></ol> 4. ייצור של Crimped קלוע נדן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותך 700 מ&quot;מ של נדן הרחבה קלוע (כ 15 פעמים את הגובה של מודול). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס גליל מתכתי של 30 מ&quot;מ בקוטר 250 מ&quot;מ ואורך בתוך הנדן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדחוף למטה ולאלץ את הנדן על ידי הזזה על הגליל, על מנת ליצור crimps. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מכאני לתקן את הנדן במקום עם מהדק וחום עם אקדח חימום ב 350 מעלות צלזיוס במשך 2-3 דקות עד שעיוות קבועה מתקבלת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בואו הנדן להתקרר ולהסיר את הגליל הפנימי. </li></ol> 5. שילוב של נדן החיצוני <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להעביר אתצינורות דרך החורים של cap_C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 3 גרם של סיליקון לcap_C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הצמד cap_C לתמיכה גבוהה ממטוס העבודה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הצד התחתון של מודול המפוברק בעבר לcap_C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חלק את הנדן המסולסל סביב מודול. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדחוף את crimps הראשון של הנדן בתוך cap_C ולטבול אותם לסיליקון הטרי שפך (איור 3i). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים את התבנית לתנור על 60 מעלות צלזיוס במשך כ -20 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על אותו ההליך מנקודה 5.1-5.6 כדי לתקן את הנדן בצד העליון, באמצעות cap_D (י 3 איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר cap_C וcap_D. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הגליל המרכזי (איור 3k). </li></ol> 6. ייצור של גרגירי שיבוש ממברנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 5 גרם של לטקס נוזלי לתוך כוס פלסטיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את הגליל לממברנה (החתיכה האחרונה שמוצגת באיור 2) בתוך הלטקס הנוזלי עד פני השטחמכוסה לחלוטין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תן לו להתייבש מתחת למכסת מנוע במשך 20 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקודות חזרו 6.2 ו -6.3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להסיר את הקרום מהתבנית. </li></ol> 7. קלטי גרגירי שיבוש ממברנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותך צינור (2 מ&quot;מ קוטר) לאורך הרצוי (300 מ&quot;מ לדוגמא). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים חתיכה של כ -100 מ&quot;מ 2 של רקמת ניילון בריבוע ולסגור קצה אחד של הצינור עם רקמה זו באמצעות סרט פרפין פלסטיק או דבק מגע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשקול 4 גרם של אבקת קפה ולמלא את הקרום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הצינור (סוף עם המסנן) בתוך הקרום המלא ולתקן אותה סביב הצינור באמצעות סרט פרפין פלסטיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל ואקום בצד השני של הצינור (הקרום הופך נוקשה) האחר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הקרום בתוך הערוץ המרכזי הריק של מודול siliconic (3L איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדביקים את הקצוות של קרום ההתקשות למודול סיליקון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סגור את הטבעות סביב החלק העליוןהצד השני של מודול (3M איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 2 גרם של סיליקון לטבעות כדי ליישר את פני השטח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בואו היבש סיליקון מתחת למכסת מנוע או בתנור על 60 מעלות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הטבעות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור מנקודות 7.8-7.11 לצד התחתון (איור 3 יד). </li></ol>

<ol>
	<li>Scott, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Completely+transvaginal+NOTES+cholecystectomy+using+magnetically+anchored+instruments.">Completely transvaginal NOTES cholecystectomy using magnetically anchored instruments.</a> Surgical Endoscopy. 21, 2308-2316 (2007).</li><li>Vitiello, V., Lee, S., Cundy, T., Yang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+Robotic+Platforms+for+Minimally+Invasive+Surgery.">Emerging Robotic Platforms for Minimally Invasive Surgery.</a> IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 111-126 (2013).</li><li>Vyas, L., Aquino, D., Kuo, C. -. H., Dai, J. S., Dasgupta, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+Robotics.">Flexible Robotics.</a> BJU International. 107, 187-189 (2011).</li><li>Degani, A., Choset, H., Wolf, A., Zenati, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+articulated+robotic+probe+for+minimally+invasive+surgery.">Highly articulated robotic probe for minimally invasive surgery.</a> Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 4167-4172 (2006).</li><li>Bajo, A., Dharamsi, L. M., Netterville, J. L., Garrett, C. G., Simaan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotic-assisted+micro-surgery+of+the+throat:+The+trans-nasal+approach.">Robotic-assisted micro-surgery of the throat: The trans-nasal approach.</a> , 232-238 (2013).</li><li>Burgner, J., Swaney, P. J., Lathrop, R. A., Weaver, K. D., Webster, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Debulking+From+Within:+A+Robotic+Steerable+Cannula+for+Intracerebral+Hemorrhage+Evacuation.">Debulking From Within: A Robotic Steerable Cannula for Intracerebral Hemorrhage Evacuation.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 60, 2567-2575 (2013).</li><li>Tortora, G., Ranzani, T., De Falco, I., Dario, P., Menciassi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Miniature+Robot+for+Retraction+Tasks+under+Vision+Assistance+in+Minimally+Invasive+Surgery.">A Miniature Robot for Retraction Tasks under Vision Assistance in Minimally Invasive Surgery.</a> Robotics. 3, 70-82 (2014).</li><li>Laschi, C., Cianchetti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Robotics:+new+perspectives+for+robot+bodyware+and+control.">Soft Robotics: new perspectives for robot bodyware and control.</a> Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2, (2014).</li><li>Loeve, A., Breedveld, P., Dankelman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scopes+too+flexible...and+too+stiff.">Scopes too flexible...and too stiff.</a> Pulse, IEEE. 1, 26-41 (2010).</li><li>Cianchetti, M., Follador, M., Mazzolai, B., Dario, P., Laschi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+development+of+a+soft+robotic+octopus+arm+exploiting+embodied+intelligence.">Design and development of a soft robotic octopus arm exploiting embodied intelligence.</a> , 5271-5276 (2012).</li><li>Smith, K., Kier, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trunks,+tongues,+and+tentacles:+Moving+with+skeletons+of+muscle.">Trunks, tongues, and tentacles: Moving with skeletons of muscle.</a> American Scientist. 77, 28-35 (1989).</li><li>Walker, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Some+issues+in+creating+&#8220;invertebrate&#8221;+robots.">Some issues in creating &#8220;invertebrate&#8221; robots.</a> , (2000).</li><li>McMahan, W., Jones, B., Walker, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+implementation+of+a+multi-section+continuum+robot:+Air-octor.">Design and implementation of a multi-section continuum robot: Air-octor.</a> IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , 2578-2585 (2005).</li><li>Laschi, C., Mazzolai, B., Cianchetti, M., Margheri, L., Follador, M., Dario, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Soft+Robot+Arm+Inspired+by+the+Octopus.">A Soft Robot Arm Inspired by the Octopus.</a> Advanced Robotics (Special Issue on Soft Robotics). 26, 709-727 (2012).</li><li>Chianchetti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+robotics+technologies+to+address+shortcomings+in+today&#8217;s+minimally+invasive+surgery:+the+STIFF-FLOP+approach.">Soft robotics technologies to address shortcomings in today&#8217;s minimally invasive surgery: the STIFF-FLOP approach.</a> Soft Robotics. 1, 122-131 (2014).</li><li>Cheng, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Analysis+of+a+Robust,+Low-cost,+Highly+Articulated+manipulator+enabled+by+jamming+of+granular+media.">Design and Analysis of a Robust, Low-cost, Highly Articulated manipulator enabled by jamming of granular media.</a> , 4328-4333 (2012).</li><li>Cianchetti, M., Ranzani, T., Gerboni, G., De Falco, I., Laschi, C., Menciassi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=STIFF-FLOP+Surgical+Manipulator:+mechanical+design+and+experimental+characterization+of+the+single+module.">STIFF-FLOP Surgical Manipulator: mechanical design and experimental characterization of the single module.</a> Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS. , 3576-3581 (2013).</li><li>De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+soft+and+controllable+stiffness+manipulator+for+minimally+invasive+surgery:+preliminary+characterization+of+the+modular+design).">A soft and controllable stiffness manipulator for minimally invasive surgery: preliminary characterization of the modular design).</a> Proceedings of 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , (2014).</li><li>De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=STIFF-FLOP+surgical+manipulator:+design+and+preliminary+motion+evaluation).">STIFF-FLOP surgical manipulator: design and preliminary motion evaluation).</a> Proceedings of 4th WorkShop on Computer/Robot Assisted Surgery (CRAS). , 131-134 (2014).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

The technique described in this protocol enables the fabrication of a pneumatically actuated soft unit usable for modular compliant structures. Thanks to the design of the molds and their simple assembly, it is possible to fabricate one complete module in about 4 hours with 7 main steps. The process of fabrication involves specific materials, which are easily available, and work should be carried out under a fume hood. An external set up including air valves, air compressor and vacuum pump is necessary to activate the module motion and stiffening. 
For the fabrication of the soft unit, several elastomeric materials were mechanically tested in order to choose the most suitable for the specific application. Silicone was selected for its high flexibility, low hysteresis, and easy molding. 
The fabrication process is based on simple steps, however various critical aspects should be discussed. The fabrication of the crimped braided sheath, reported in Section 4 of the protocol, starts from a commercial braided sheath in polyester with an internal diameter of 32 mm. The dimensions of the metallic cylinder, used for crimping, have to ensure the right development of the crimps, the necessary space to insert the module (inner diameter) and the sufficient distance between the crimps. These features enable the module to work correctly when the chambers are inflated: the sheath has the function to limit the radial expansion of the silicone when the chambers are inflated, avoiding the &#8220;balloon effect&#8221; of the chambers. Close crimps improve the expansion of the silicone along the motion direction optimizing the bending and the elongation movements. In addition, particular care is needed when heating the sheath in order to prevent overheating, which can degrade the material. 
Considering the fabrication and the insertion of the granular jamming membrane (step 6 in the protocol), the filter on the tip of the vacuum tube is necessary to prevent dispersion of the granular material inside the fluidic system. At the moment, the filter consists of a nylon tissue. However, a miniaturized commercial filter could make the vacuum activation safer. The current membrane used for the granular jamming is made of latex. This material ensures a good level of stiffness when the vacuum is applied. However, this requires more attention: the latex inhibits the polymerization of platinum-catalyzed silicone on the top and bottom of the module. The siliconic glue, mentioned in Section 7.7, fixes the membrane and also isolates the latex from the silicone at the extremity of the module, thus the final polymerizations are guaranteed. 
Multiple units can be integrated in order to obtain a multi-module manipulator. Preliminary research demonstrates the possibility of connecting three modules20, 21 with a functionally modular architecture where each module replicates the same functionalities. However this integration is limited to a maximum of 3 or 4 modules, due to the method of passing the tubes inside the chambers. This method reduces the available space, thus limiting the multi-module approach to a low number of modules.
Future work will focus on integrating on-board valves, thus enhancing the modularity. The same fabrication technique can be used to produce miniaturized modules (quantities should scale accordingly), however the performance decay has not yet been evaluated. The list of materials used, could be further modified to meet more stringent biocompatibility requirements.

מגמות חדשות בתחום הרפואה דוחפות להפחתה בהפולשנות של ניתוחים. מינימאלי ניתוח פולשני (MIS) שופר בהצלחה בשנים האחרונות לפעילות בטן. נהלי MIS מבוססים על השימוש בכלים הציגו דרך ארבע או חמש נקודות גישה (trocars) מונחות על דופן הבטן. על מנת לצמצם את מספר trocars, יכולים להיות מוכנסים המכשירים על ידי יציאה אחת לפרוסקופיה (SPL) או ניתוח הטבעי פתח Translumenal אנדוסקופי (אורים) 1. נהלים אלה למנוע צלקות נראות לעין חיצונית, אך להגדיל את הקושי לרופאים בביצוע הניתוח. הגבלה זו נובעת בעיקר מנקודות מופחתות של גישה והאופי הנוקשה וקשיח למחצה של המכשירים, שאינם מסוגל למנוע או לעבור סביב איברים 2, 3. מיומנות ותנועתיות ניתן לשפר באמצעות ביטוי והיפר-מיותר רובוטים שיכולים לכסות סביבת עבודה רחבה יותר ומורכבת יותר, השלנו מאפשרים יעד ספציפי בגוף שהגיע בקלות רבה יותר 4, 5, 6 ולעבוד כמערכות נסיגה בעת צורך 7. מניפולטור גמיש יכול לשפר את היענות רקמה, ובכך יוצר קשר בטוח יותר מאשר על ידי כלים מסורתיים. עם זאת, מניפולטורים אלה לעתים קרובות חוסר יציבות כאשר מגיע ליעד, ובדרך כלל הם לא יכולים לשלוט במגע עם הרקמות הסובבות 8, 9. מחקרים על מבנים ביולוגיים, כגון זרוע תמנון 10 והחדק 11, לאחרונה בהשראת העיצוב של מניפולטורים גמישים, עיוותים ותואמות עם מספר מיותר של דרגות החופש (DoFs) וקשיחות לשליטה 12. אלו סוגים של מכשירים לנצל מעיינות פסיביות, חומרים חכמים, אלמנטי פנאומטי, או גידים 13, 14, 15. באופן כללי, מניפולטורים מפוברקים עם חומרים רכים וגמישים אינם מבטיחים את הדור של כוחות גבוהים. Tהוא נוקשה הפלופ (מניפולטור קשיחות לשליטה גמיש וניתן ללמידה לניתוחים) מניפולטור הוצג לאחרונה כמכשיר כירורגי רומן לאורים וSPL בהשראת היכולות של התמנון. כדי להתגבר על המגבלות של מניפולטורים רכים קודמים, יש לו גוף רך כמו גם גבוהה מיומנות, גבוה כוח וקשיחות לשליטה 16. הארכיטקטורה של מניפולטור מבוססת על גישה מודולרית: יחידות מרובות, עם אותו המבנה והפונקציונאליות, הם משולבים יחד. היחידה אחת מוצגת באיור 1. היא מבוססת על צילינדר אלסטומרי מתקבל על ידי ייצור רב-. צעדי ההרכבה של רכיבי העובש ותהליכי הליהוק לאפשר שלושה תאים ריקים (להפעלה ללא fluidic) וערוץ אחד חלול מרכזי 17 (לדיור למנגנון המבוסס על שיבוש גרגירי 18) להיות מוטבע. התאים ממוקמים על 120 מעלות, כך שאינפלציה בשילוב IR מייצרת תנועה והתארכות omnidirectional. בנוסף נדן קלוע חיצוני ממוקם חיצוני להגביל את התרחבות רדיאלי החיצונית של תאי fluidic כאשר לחץ, וכך לייעל את השפעת actuation הקאמרית בתנועת מודול (כיפוף והתארכות). הערוץ המרכזי שוכן מכשיר גלילי מורכב מקרום חיצוני מלאים בחומר גרגירים. כאשר לחץ ואקום מוחל, הוא משנה את תכונות האלסטיות שלו גורם להתקשחות שמשפיעה על התכונות של כל מודול. מופעי תנועה ונוקשות הנשלטים על ידי התקנה חיצונית כוללים מדחס אוויר ושלושה שסתומי לחץ לactuating התאים ומשאבת ואקום אחד להפעלת הוואקום בערוץ ההתקשות. ממשק משתמש אינטואיטיבי מאפשר שליטה של ​​לחצים להפעלה ללא וואקום בתוך מודול. מאמר זה מפרט את fabricatioתהליך n של מודול הבודד של מניפולטור זה ודיווחים על התוצאות משמעותיות ביותר על יכולות תנועה בסיסיות. בהתחשב באופי המודולרי של המכשיר, ההערכה של הייצור וביצועים של רק מודול אחד בודד גם מאפשרת את התוצאות לתוארכנה ולחזות את ההתנהגות הבסיסית של מניפולטור רב-מודול שילוב של שניים או יותר מודולים.

<table border="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ecoflex 00-50 Trial Kit</td>
			<td>SmoothOn</td>
			<td></td>
			<td>Used for the fabrication of the soft unit, combining equal amounts of liquid parts A (the base) and B (the catalyst)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Latex</td>
			<td>Antichit&#224; Belsito</td>
			<td></td>
			<td>Used for the fabrication of the granular jamming membrane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peroxide-Cured Silicone Tubing</td>
			<td>Cole Parmer</td>
			<td>T-06411-59</td>
			<td>Used for actuating the chambers and applying vacuum</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PET expandable braided sleeving</td>
			<td>RS</td>
			<td>408-249</td>
			<td>Used for the fabrication of the external braided sheath</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Rubber</td>
			<td>Momentive</td>
			<td>127374</td>
			<td>Used to fix the actuation tubes to the module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>Cole Parmer</td>
			<td>EW-06720-40</td>
			<td>Used to fix the latex membrane to the vacuum tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fume hood Secuflow</td>
			<td>Groupe Waldner</td>
			<td></td>
			<td>Working space</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision scale</td>
			<td>KERN EW</td>
			<td></td>
			<td>Used to weight silicone, latex and coffee powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven/degasser</td>
			<td>Heraeus</td>
			<td></td>
			<td>Used to degass the silicone and reduce its cure time</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump</td>
			<td>DVP Vacuum Technology</td>
			<td></td>
			<td>Used to apply vacuum to the latex membrane</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

design and fabrication of an elastomeric unit for soft modular robots in minimally invasive surgery

בשנים האחרונות, טכנולוגיות רובוטיקה הרכה עוררו עניין גובר בתחום הרפואי בשל האינטראקציה בטוחה במהותם בסביבות בלתי מובנים. במקביל, נהלים וטכניקות חדשים פותחו כדי להפחית את הפולשנות של ניתוחים. מינימאלי ניתוח פולשני (MIS) כבר מועסק בהצלחה להתערבויות בטן, נהלי MIS סטנדרטיים זאת מתבססים בעיקר על כלים קשיחים או קשיחים למחצה המגבילים את המיומנות של המטפל. מאמר זה מציג מניפולטור מיומן רך והגבוה לMIS. מניפולטור בהשראת היכולות הביולוגיות של זרוע התמנון, והוא נועד עם גישה מודולרית. כל מודול מציג את אותם מאפיינים פונקציונליים, ובכך להשיג גבוהה מיומנות וצדדית כאשר יותר מודולים משולבים. הנייר מפרט את העיצוב, תהליך ייצור וחומרים הדרושים לפיתוח יחידה אחת, המיוצרת על ידי castinסיליקון גרם בתוך תבניות ספציפיות. התוצאה מורכבת בגליל אלסטומרי כוללים שלוש גליליים גמיש המאפשרים התארכות וכיפוף רב-כיווני של היחידה. נדן קלוע חיצוני משפר את התנועה של מודול. במרכז של כל מודול מנגנון המבוסס על שיבוש גרגירים משתנה הקשיחות של המבנה במהלך המשימות. בדיקות מראות כי מודול הוא מסוגל לכופף עד 120 מעלות ולהאריך עד 66% מהאורך הראשוני. מודול יוצר כוח מרבי של 47 N, והנוקשות שלה יכולות להגדיל עד 36%.

השלבים השונים של הייצור, שתואר בפרוטוקול, הם באיור 3. על מנת להעריך את היעילות של הטכניקה והתוצאות של אב הטיפוס הסופי, מודול נבדק בתנאי עבודה שונים. התקנה חיצונית מאפשרת שליטה של ​​שני actuation והנוקשות של מודול. הוא כולל מדחס אוויר שמפעיל שלושה שסתומים. הם מחוברים לצינורות siliconic המשולבים בתאים ומאפשרים שמירת הלחץ שלהם. משאבת ואקום מחוברת לצינור המשולב בקרום השיבוש הפרטני לשליטה מודול נוקשות. שסתומים ומשאבת ואקום מחוברות ללוח אלקטרוני אשר קשורים עם ממשק משתמש אינטואיטיבי המאפשר להגדיר את הערכים של לחץ actuation ורמת הוואקום. כדי לנתח את הכיפוף (איור 3) והתארכות (איור 5) ביצועים,מודול היה קבוע בבסיס והתאים היו מונעים עם לחצי אוויר ספציפיים. כל עמדה של מודול נרכשה על ידי חיישנים אופטיים ומגנטיים. להערכתו של הכוח (איור 6) וקשיחות (איור 7), תא עומס מועבר על ידי זרוע רובוט אפשרה למדוד את היכולות של מודול בכיוונים שונים. בדיקות כיפוף (איור 4) להעריך את יכולת omnidirectional הפעילה של מודול. במקרה של 1-קאמרי כיפוף, רק אחד קאמרי כבר מונע להגביר את הלחץ בפנים, בעוד שעבור 2-קאמרי כיפוף, שני חדרים היו בלחץ בו-זמנית עם אותו הלחץ. זווית הכיפוף, המהווה את הזווית בין קו הבסיס וקו הקצה של המודול (ראה ריבועי באיור 4), חושבה לכל תפקיד של מודול, מתאימה לערכי הלחץ. מודול הוא מסוגל לכופף עד 120 מעלות במקרה של bendi 1-קאמריng, ועד 80 מעלות למשך 2-קאמרי כיפוף. בשני המקרים, כיפוף משמעותי מתחיל כאשר התאים מנופחים בכ 0.3 בר (כל ערכי הלחץ דיווחו קשורים ללחץ אטמוספרי). העלילה באיור 4 מדגיש שהשיפוע של עליות העקומה בהתכתבותו של ערך זה. זה מייצג את הנקודה שבה ההתרחבות לרוחב הראשונית של סיליקון מתעכבת על ידי הנדן החיצוני, והכיפוף של מודול הוא הקל. מלחץ 0.55 בר, העקומה היא כ קבועה כי הנדן מגיע יכולת התארכות המקסימלית שלה, תאי לחץ ששרועים לחלוטין הנדן זמין ובכך הרחבת האורך של סיליקון מוגבלת לערך קבוע שמתאים לכיפוף המרבי זָוִית. כאשר כל שלושת התאים הם מונעים בו זמנית עם אותו הלחץ, מודול מתארך, כפי שמוצג באיור 5. החל מהאורך של 50 מ&quot;מ, מודול מגיע 83.3 מ&quot;מ, אשר תואם את התארכות של כ -66%. שוב, הנדן החיצוני מתחיל להראות את השפעתו בסביבות 0.3 בר, שבו יש עלייה פתאומית ביכולת התארכות. אין רמה נוכחת בלחצים גבוהים, כי במהלך התארכות הנדן לא להגיע אליו התארכות המרבית. מודול הוא מסוגל לייצר כוחות מ24.1 N, כאשר תא אחד מונע, עד 47.1 N, כאשר שלושה תאים מנופחים (איור 6). הפעלת לחץ 1 ואקום בר (מוחלט) בערוץ התקשות מראה על עלייה בקשיחות של מודול (איור 7) של 36% בתנאי שאר, 19.6%, 12.4% ו -17.2% ב 90 מעלות כיפוף בy, x ו כיווני z בהתאמה. הפרוטוקול שהוצג יוצר יחידה אחת רכה ו, עם שינויים קלים שונים, באותו ההליך מאפשר מודולים להיות מפוברק כדיליצור מניפולטור רב-מודול. פתרון אפשרי למניפולטור הוא לשלב שתיים או יותר מודולים בי actuation פנאומטי מסופק במודולים על ידי צינורות. צינורות actuation ישירות להניע את המודול הראשון וצינורות אחרים יכולים לעבור בתאים במודול זה לחצים על התאים של מודול הבא, כפי שהודגמו בעבודות ראשוניות על שילוב מודול 20, 21. במקרה זה, את החלקים של עובש הם אותו פרט לתאים שיש לי שני צילינדרים, אחד בראש ואחד בתחתית, להוספת ועובר צינורות. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig1.jpg" /> איור 1. קונספט של מניפולטור וCAD של מודול. מניפולטור מבוסס על גישה רב-מודול. היחידה אחת הוא היווה ידי צילינדר רך הטבעת שלושה מפעילי fluidic, דיור ערוץ מרכזי אחד שיבוש גרגירים, שלושה piPES לספק לחץ ונדן קלוע חיצוני כדי לשפר את תנועת מודול. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig2.jpg" /> רכיבי איור 2. עובש לתהליך הייצור. 13 חתיכות משמשים כולל להרכיב תבניות שלסיליקון הוא שפך ולפברק קרום לטקס מותאם אישית. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig3.jpg" /> CAD איור 3. בשלבי הייצור. החדרה של התאים וגליל התקשות לcap_A (א) יציקת סיליקון ראשונה, (ב), הסרת הקליפות וcap_C (ג), הקדמה של cap_B (ד), מיקום מחדש של הפגזים (ה), ליהוק סיליקון השני (ו), הסרת קליפות, cap_B ותאים (ז), הכנסהשל הצינורות (ח), החדרת cap_C ונדן לתיקון בצד התחתון (i), החדרת cap_D ונדן לתיקונה בצד העליון (י), גליל הסרת cap_D והתקשות (k), הכנסתה של קרום גרגירי השיבוש (L), סגירה של חצי הטבעות סביב מודול (מ &#39;), מודול הסופי (n). <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig4.jpg" /> איור 4. כיפוף בדיקה. התנהגות של מודול (קו כחול) כאשר תא אחד מונע ו( קו ורוד) כאשר שני תאים הם מונעים. זווית כיפוף מצויינים במודול בריבועים. מגוון בלחץ המשמש לactuating מודול הולך מ 0 בר לבר 0.65 בצעדים של 0.05. לכל תפקיד של מודול, זווית הכיפוף חושב. נתון זה כבר ציטט מ[ 19]. <html><img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig5.jpg" /> מבחן איור 5. התארכות. התנהגות של מודול במהלך התארכות. כל שלושה התאים הם מונעים בו זמנית עם אותו הלחץ. טווח הלחץ עובר מבר ל0 0.65 בר. לכל תפקיד התארכות חושב. נתון זה כבר ציטט מ[ 19]. <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig6.jpg" /> איור 6. חיל מבחן. הערכה של הכוח בתנאי איזומטרי לאורך כיוון x. תא עומס הוצב בחלק העליון של מודול והכוח חושבו בשלושה מקרים שונים ביחס למספר תאים ומונעים. נתון זה כבר ציטט מ[ 19]. OAD / 53,118 / 53118fig7.jpg &quot;/&gt; מבחן איור 7. נוקשות. הערכה של הווריאציה הנוקשות בארבע תצורות שונות, כאשר באותו התא הוא מונע. התקות שונות הוטלו על הקצה של מודול באמצעות רובוט 6 dof. הנוקשות חושבו במצב הבסיס של מודול (א) ועל 90 מעלות כיפוף לאורך y, x וכיווני Z (ב, ג, ד). נתון זה שונה מ[ 19]. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:533px;;text-align:right;direction:rtl" width="533"><colgroup><col /><col /><col /></colgroup><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:160px;"> רכיב עובש </td><td style="width:59px;"> מִספָּר </td><td style="width:315px;"> תֵאוּר </td></tr><tr height="120"><td height="120" style="height:120px;"> פגזים </td><td> 2 </td><td style="width:315px;"> אלה havצורה חצי גלילית EA, 40 מ&quot;מ גובה, עם רדיוס פנימי של 12.5 מ&quot;מ ורדיוס חיצוני של 14.5 מ&quot;מ. כאשר נסגר, הם יוצרים גליל המייצג את הצורה של יחידת siliconic. הפגזים מיוצרים בpolyoxymethylene. </td></tr><tr height="180"><td height="180" style="height:180px;"> צ&#39;יימברס </td><td> 3 </td><td style="width:315px;"> תאים אלה מייצגים השליליים של תאי actuation. יש להם צורה מלאה למחצה גלילית עם קצוות מעוגלים, 30 מ&quot;מ בגובה עם רדיוס 4 מ&quot;מ. כדי להקל על כניסתה של צינורות actuation, בבסיסו של כל תא יש גליל בקוטר של 1.5 מ&quot;מ ובאורך של 13 מ&quot;מ. התאים מיוצרים עם מכונת מדפסת 3D. </td></tr><tr height="85"><td height="85" style="height:85px;width:160px;"> התקשות צילינדר (למנגנון חסימה הפרטני </td><td> 1 </td><td style="width:315px;"> זהו השליליים של ערוץ ההתקשות. זה 56 מ&quot;מבגובה ו -8 מ&quot;מ קוטר. הוא מפוברק באלומיניום כדי להקל על הסרתה ממרכז גליל siliconic. </td></tr><tr height="200"><td height="200" style="height:200px;"> cap_A </td><td> 1 </td><td style="width:315px;"> זה חתיכת תמיכה משמשת כדי לתקן וליישר את החתיכות המפורטים לעיל. זה דיסק מדידת 10 מ&quot;מ גובה, בקוטר של 29 מ&quot;מ ל7 מ&quot;מ הראשון של גובה, ו- 25 מ&quot;מ ל3 מ&quot;מ האחר שבם הפגזים החיצוניים קרוב. הצורות העליונה של התאים נועדו בתוך השכבה השנייה, ממוקמים על 120 מעלות, עם עומק של 3 מ&quot;מ על מנת להכניס את התאים העליונים. במרכז הכובע, חור של 8 מ&quot;מ קוטר בתי הצילינדר של ערוץ התקשות. </td></tr><tr height="80"><td height="80" style="height:80px;"> cap_B </td><td> 1 </td><td style="width:315px;"> חתיכת תמיכה זו דומה לcap_A, רק שונה לשכבה השנייה שבו יש שלושה חורים להקדמהשל הגלילים שנועדו בבסיסם של התאים. </td></tr><tr height="140"><td height="140" style="height:140px;"> cap_C וcap_D </td><td> 1 כל </td><td style="width:315px;"> תומך אלה מאפשרים הנדן להיות קבוע למודול. יש להם קוטר פנימי של 35 מ&quot;מ וחור מרכזי של 8 מ&quot;מ בקוטר להחדרת גליל ההתקשות. Cap_C שונה מcap_D כי יש לו 3 חורים של 2 מ&quot;מ בקוטר כדי לאפשר הצינורות להיות מוכנסים. </td></tr><tr height="80"><td height="80" style="height:80px;"> חצי-טבעות </td><td> 2 </td><td style="width:315px;"> יש להם קוטר פנימי של 30 מ&quot;מ וגובה של 10 מ&quot;מ. הם עשויים מאלומיניום. הם משמשים בשלב האחרון של הייצור כדי לסגור את מודול בודאות. </td></tr><tr height="160"><td height="160" style="height:160px;"> צילינדר לממברנה </td><td> 1 </td><td style="width:315px;"> הוא משמש לייצור של קרום מותאם אישית עבור המנגנון חסימה פרטנית דואר. זה 50 מ&quot;מ גובה ו -15 מ&quot;מ קוטר, ומעוגל גפיים לקבל צורה נוחה לממברנה להיות הציגה למודול. בבסיס, חלק גלילי דק אחת מתקן את העובש על תמיכה במהלך ייצור הקרום. </td></tr></tbody></table> טבלת 1. רכיבי עובש.

Watch this Scientific Journal Video about Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery at JoVE.com

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

design-fabrication-an-elastomeric-unit-for-soft-modular-robots

Google

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K Views.  Scuola Superiore Sant'Anna. This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported. 

Video: Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

Elastomeric PGS Scaffolds in Arterial Tissue Engineering

Cardiovascular disease is one of the leading cause of mortality in the US and especially, coronary artery disease increases with an aging population and increasing obesity1. Currently, bypass surgery using autologous vessels, allografts, and synthetic grafts are known as a commonly used for arterial substitutes2. However, these grafts have limited applications when an inner diameter of arteries is less than 6 mm due to low availability, thrombotic complications, compliance mismatch, and late intimal hyperplasia3,4. To overcome these limitations, tissue engineering has been successfully applied as a promising alternative to develop small-diameter arterial constructs that are nonthrombogenic, robust, and compliant. Several previous studies have developed small-diameter arterial constructs with tri-lamellar structure, excellent mechanical properties and burst pressure comparable to native arteries5,6. While high tensile strength and burst pressure by increasing collagen production from a rigid material or cell sheet scaffold, these constructs still had low elastin production and compliance, which is a major problem to cause graft failure after implantation. Considering these issues, we hypothesized that an elastometric biomaterial combined with mechanical conditioning would provide elasticity and conduct mechanical signals more efficiently to vascular cells, which increase extracellular matrix production and support cellular orientation.
The objective of this report is to introduce a fabrication technique of porous tubular scaffolds and a dynamic mechanical conditioning for applying them to arterial tissue engineering. We used a biodegradable elastomer, poly (glycerol sebacate) (PGS)7 for fabricating porous tubular scaffolds from the salt fusion method. Adult primary baboon smooth muscle cells (SMCs) were seeded on the lumen of scaffolds, which cultured in our designed pulsatile flow bioreactor for 3 weeks. PGS scaffolds had consistent thickness and randomly distributed macro- and micro-pores. Mechanical conditioning from pulsatile flow bioreactor supported SMC orientation and enhanced ECM production in scaffolds. These results suggest that elastomeric scaffolds and mechanical conditioning of bioreactor culture may be a promising method for arterial tissue engineering.

Elastomeric PGS scaffolds with vascular smooth muscle cells cultured in a pulsatile flow bioreactor may lead to promising small-diameter arterial constructs with native ECM production in a relatively short culture period.

PGS אלסטומרי פיגומים להנדסת רקמות העורקים

Cardiovascular disease is one of the leading cause of mortality in the US and especially, coronary artery disease increases with an aging population and ...

Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a photomask consisting of embedded micro-lenses. Embedded micro-lenses were found to influence MN geometry (sharpness). Robust MN arrays with tip diameters ranging between 41.5 &#181;m &#177; 8.4 &#181;m and 71.6 &#181;m &#177; 13.7 &#181;m, with two different lengths (1,336 &#181;m &#177; 193 &#181;m and 957 &#181;m &#177; 171 &#181;m) were fabricated. These MN arrays may provide potential applications in delivery of low molecular and macromolecular therapeutic agents through skin.

Here, we present a protocol describing a mold-free fabrication process of the polymeric microneedles by photolithography.

ייצור מערך microneedle פולימרית יתוגרפיה

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a ...

Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation

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.

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.

רוד מבוססי ייצור של מכשירים גריפר פניאומטיים רובוטית להתאמה אישית רך עבור מניפולציה רקמה עדינה

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations ...

Automated Robotic Liquid Handling Assembly of Modular DNA Devices

Recent advances in modular DNA assembly techniques have enabled synthetic biologists to test significantly more of the available &#34;design space&#34; represented by &#34;devices&#34; created as combinations of individual genetic components. However, manual assembly of such large numbers of devices is time-intensive, error-prone, and costly. The increasing sophistication and scale of synthetic biology research necessitates an efficient, reproducible way to accommodate large-scale, complex, and high throughput device construction.
Here, a DNA assembly protocol using the Type-IIS restriction endonuclease based Modular Cloning (MoClo) technique is automated on two liquid-handling robotic platforms. Automated liquid-handling robots require careful, often times tedious optimization of pipetting parameters for liquids of different viscosities (e.g. enzymes, DNA, water, buffers), as well as explicit programming to ensure correct aspiration and dispensing of DNA parts and reagents. This makes manual script writing for complex assemblies just as problematic as manual DNA assembly, and necessitates a software tool that can automate script generation. To this end, we have developed a web-based software tool, http://mocloassembly.com, for generating combinatorial DNA device libraries from basic DNA parts uploaded as Genbank files. We provide access to the tool, and an export file from our liquid handler software which includes optimized liquid classes, labware parameters, and deck layout. All DNA parts used are available through Addgene, and their digital maps can be accessed via the Boston University BDC ICE Registry. Together, these elements provide a foundation for other organizations to automate modular cloning experiments and similar protocols.
The automated DNA assembly workflow presented here enables the repeatable, automated, high-throughput production of DNA devices, and reduces the risk of human error arising from repetitive manual pipetting. Sequencing data show the automated DNA assembly reactions generated from this workflow are ~95% correct and require as little as 4% as much hands-on time, compared to manual reaction preparation.

Here, an automated workflow to perform modular DNA &#34;device&#34; assembly using a modular cloning DNA assembly method on liquid-handling robots is presented. The protocol uses an intuitive software tool for generating liquid handler picklists for combinatorial DNA device library generation, which we demonstrate using two liquid handling platforms.

אוטומטית רובוטית טיפול בנוזלים הרכבה של התקנים DNA מודולרי

Recent advances in modular DNA assembly techniques have enabled synthetic biologists to test significantly more of the available &#34;design space&#34; ...

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should mimic the human tissues they are aiming to replace; to provide the required anatomical shape, the materials must be able to sustain the mechanical forces they will experience when implanted at the defect site. Although the mechanical properties of tissue-engineered scaffolds are of great importance, many human tissues that undergo restoration with engineered materials have not been fully biomechanically characterized. Several compressive and tensile protocols are reported for evaluating materials, but with large variability it is difficult to compare results between studies. Further complicating the studies is the often destructive nature of mechanical testing. Whilst an understanding of tissue failure is important, it is also important to have knowledge of the elastic and viscoelastic properties under more physiological loading conditions.
This report aims to provide a minimally destructive protocol to evaluate the compressive and tensile properties of human soft tissues. As examples of this technique, the tensile testing of skin and the compressive testing of cartilage are described. These protocols can also be directly applied to synthetic materials to ensure that the mechanical properties are similar to the native tissue. Protocols to assess the mechanical properties of human native tissue will allow a benchmark by which to create suitable tissue-engineered substitutes.

Tissue biomechanics is important for maintaining cell shape and function and for determining phenotype. This report demonstrates non-destructive mechanical protocols for characterizing elastic and viscoelastic properties of human soft tissues, which can be directly applied to tissue-engineered substrates to allow a close matching of engineered materials to native tissue.

אפיון ביומכנית של רקמות רכות אדם באמצעות זחה ו מתיחת בדיקה

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

A Novel Surgical Technique As a Foundation for In Vivo Partial Liver Engineering in Rat

Organ engineering is a novel strategy to generate liver organ substitutes that can potentially be used in transplantation. Recently, in vivo liver engineering, including in vivo organ decellularization followed by repopulation, has emerged as a promising approach over ex vivo liver engineering. However, postoperative survival was not achieved. The aim of this study is to develop a novel surgical technique of in vivo selective liver lobe perfusion in rats as a prerequisite for in vivo liver engineering. We generate a circuit bypass only through the left lateral lobe. Then, the left lateral lobe is perfused with heparinized saline. The experiment is performed with 4 groups (n = 3 rats per group) based on different perfusion times of 20 min, 2 h, 3 h, and 4 h. Survival, as well as the macroscopically visible change of color and the histologically determined absence of blood cells in the portal triad and the sinusoids, is taken as an indicator for a successful model establishment. After selective perfusion of the left lateral lobe, we observe that the left lateral lobe, indeed, turned from red to faint yellow. In a histological assessment, no blood cells are visible in the branch of the portal vein, the central vein, and the sinusoids. The left lateral lobe turns red after reopening the blocked vessels. 12/12 rats survived the procedure for more than one week. We are the first to report a surgical model for in vivo single liver lobe perfusion with a long survival period of more than one week. In contrast to the previously published report, the most important advantage of the technique presented here is that perfusion of 70% of the liver is maintained throughout the whole procedure. The establishment of this technique provides a foundation for in vivo partial liver engineering in rats, including decellularization and recellularization.

A Novel Surgical Technique As a Foundation for In Vivo Partial Liver Engineering in Rat

We establish a novel surgical technique for an in vivo single liver lobe perfusion model in rat as a prerequisite for further studying in vivo partial liver engineering in the future.

טכניקה כירורגית הרומן כבסיס In Vivo חלקי הכבד הנדסה בעכברוש

Organ engineering is a novel strategy to generate liver organ substitutes that can potentially be used in transplantation. Recently, in vivo liver ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics paradigm, especially in biomedical research. Recreating artificial life-like actuation dynamics is crucial for a soft-robotic system. However, the precise control and tuning of actuation behavior still represents one of the main challenges of modern soft robotic systems. This method describes a low-cost, highly scalable, and easy-to-use procedure to fabricate an electrically controllable soft robot with life-like movements that is activated and controlled by the contraction of cardiac muscle tissue on a micropatterned sting ray-like hydrogel scaffold. The use of soft photolithography methods makes it possible to successfully integrate multiple components in the soft robotic system, including micropatterned hydrogel-based scaffolds with carbon nanotubes (CNTs) embedded gelatin methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), flexible gold (Au) microelectrodes, and cardiac muscle tissue. In particular, the hydrogels alignment and micropattern are designed to mimic the muscle and cartilage structure of the sting ray. The electrically conductive CNT-GelMA hydrogel acts as a cell scaffold that improves the maturation and contraction behavior of cardiomyocytes, while the mechanically robust PEGDA hydrogel provides structural cartilage-like support to the whole soft robot. To overcome the hard and brittle nature of metal-based microelectrodes, we designed a serpentine pattern that has high flexibility and can avoid hampering the beating dynamics of cardiomyocytes. The incorporated flexible Au microelectrodes provide electrical stimulation across the soft robot, making it easier to control the contraction behavior of cardiac tissue.

A bioinspired scaffold is fabricated by a soft photolithography technique using mechanically robust and electrically conductive hydrogels. The micropatterned hydrogels provide directional cardiomyocyte cell alignment, resulting in a tailored direction of actuation. Flexible microelectrodes are also integrated into the scaffold to bring electrical controllability for a self-actuating cardiac tissue.

ביוהשראת רובוט רך עם מיקרואלקטרודות משולבות

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

Simple, Affordable, and Modular Patterning of Cells using DNA

The relative positioning of cells is a key feature of the microenvironment that organizes cell-cell interactions. To study the interactions between cells of the same or different type, micropatterning techniques have proved useful. DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC) is a micropatterning technique that targets the adhesion of cells to a substrate or other cells using DNA hybridization. The most basic operations in DPAC begin with decorating cell membranes with lipid-modified oligonucleotides, then flowing them over a substrate that has been patterned with complementary DNA sequences. Cells adhere selectively to the substrate only where they find a complementary DNA sequence. Non-adherent cells are washed away, revealing a pattern of adherent cells. Additional operations include further rounds of cell-substrate or cell-cell adhesion, as well as transferring the patterns formed by DPAC to an embedding hydrogel for long-term culture. Previously, methods for patterning oligonucleotides on surfaces and decorating cells with DNA sequences required specialized equipment and custom DNA synthesis, respectively. We report an updated version of the protocol, utilizing an inexpensive benchtop photolithography setup and commercially available cholesterol modified oligonucleotides (CMOs) deployed using a modular format. CMO-labeled cells adhere with high efficiency to DNA-patterned substrates. This approach can be used to pattern multiple cell types at once with high precision and to create arrays of microtissues embedded within an extracellular matrix. Advantages of this method include its high resolution, ability to embed cells into a three-dimensional microenvironment without disrupting the micropattern, and flexibility in patterning any cell type.

Here we present a protocol to micropattern cells at single-cell resolution using DNA-programmed adhesion. This protocol uses a benchtop photolithography platform to create patterns of DNA oligonucleotides on a glass slide and then labels cell membranes with commercially available complementary oligonucleotides. Hybridization of the oligos results in programmed cell adhesion.

דפוס פשוט, זול ומודולרי של תאים המשתמשים ב- DNA

The relative positioning of cells is a key feature of the microenvironment that organizes cell-cell interactions. To study the interactions between cells ...

Voxel Printing Anatomy: Design and Fabrication of Realistic, Presurgical Planning Models through Bitmap Printing

Most applications of 3-dimensional (3D) printing for presurgical planning have been limited to bony structures and simple morphological descriptions of complex organs due to the fundamental limitations in accuracy, quality, and efficiency of the current modeling paradigm. This has largely ignored the soft tissue critical to most surgical specialties where the interior of an object matters and anatomical boundaries transition gradually. Therefore, the needs of the biomedical industry to replicate human tissue, which displays multiple scales of organization and varying material distributions, necessitate new forms of representation. 
Presented here is a novel technique to create 3D models directly from medical images, which are superior in spatial and contrast resolution to current 3D modeling methods and contain previously unachievable spatial fidelity and soft tissue differentiation. Also presented are empirical measurements of novel, additively manufactured composites that span the gamut of material stiffnesses seen in soft biological tissues from MRI and CT. These unique volumetric design and printing methods allow for deterministic and continuous adjustment of material stiffness and color. This capability enables an entirely new application of additive manufacturing to presurgical planning: mechanical realism. As a natural complement to existing models that provide appearance matching, these new models also allow medical professionals to "feel" the spatially varying material properties of a tissue simulant-a critical addition to a field in which tactile sensation plays a key role.

This method demonstrates a voxel-based 3D printing workflow, which prints directly from medical images with exact spatial fidelity and spatial/contrast resolution. This enables the precise, graduated control of material distributions through morphologically complex, graduated materials correlated to radiodensity without loss or alteration of data.

אנטומיה של הדפסת Voxel: עיצוב וייצור של מודלים מציאותיים של תכנון פרה-כירורגי באמצעות הדפסת מפת סיביות

Most applications of 3-dimensional (3D) printing for presurgical planning have been limited to bony structures and simple morphological descriptions of ...

Synthesis of Strong Adhesive Hydrogel, Gelatin O-Nitrosobenzaldehyde

Adhesive materials have become popular biomaterials in the field of biomedical and tissue engineering. In our previous work, we presented a new material - gelatin o-nitrosobenzaldehyde (gelatin-NB) - which is mainly used for tissue regeneration and has been validated in animal models of corneal injury and inflammatory bowel disease. This is a novel hydrogel formed by modifying biological gelatin with o-nitrosobenzaldehyde (NB). Gelatin-NB was synthesized by activating the carboxyl group of NB-COOH and reacting with gelatin through 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS). The obtained compound was purified to generate the final product, which can be stably stored for at least 18 months. NB has a strong adhesion to -NH2 on the tissue, which can form many C = N bonds, thus increasing the adhesion of gelatin-NB to the tissue interface. The preparation process comprises steps for the synthesis of the NB-COOH group, modification of the group, synthesis of gelatin-NB, and purification of the compound. The goal is to describe the specific synthesis process of gelatin-NB in detail and to demonstrate the application of gelatin-NB to damage repair. Moreover, the protocol is presented to further strengthen and expand the nature of the material produced by the scientific community for more applicable scenarios.

The protocol presented here shows the synthesis of a strong adhesive hydrogel gelatin o-nitrosobenzaldehyde (gelatin-NB). Gelatin-NB has rapid and efficient tissue adhesion ability, which can form a strong physical barrier to protect wound surfaces, so it is expected to be applied to the field of injury repair biotechnology.

סינתזה של הידרוג'ל דבק חזק, ג'לטין O-Nitrosobenzaldehyde

Adhesive materials have become popular biomaterials in the field of biomedical and tissue engineering. In our previous work, we presented a new material - ...