Name: design and fabrication of an elastomeric unit for soft modular robots in minimally invasive surgery
Uploaded: 2015-11-14T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery at JoVE.com

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

Obs: Detta protokoll beskriver tillverkningsfaser en enda modul, som inkluderar fluidic kammare, hårdnande kanal, manöverledningar och yttre hölje. Följande procedur måste utföras inom ramen för ett dragskåp och bär labbrock och handskar av säkerhetsskäl. Såsom tidigare nämnts, är tillverkningsprocessen av den elastomera enhet baserad på sekventiell användning av formar som utformats med CAD-program. De består av de 13 stycken som visas i figur 2 och som</strong...

<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 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 mo...

De senaste trenderna inom det medicinska området är att puffa för en minskning av invasions av kirurgiska ingrepp. Minimalinvasiv kirurgi (MIS) har framgångsrikt förbättrats under de senaste åren för bukoperationer. MIS förfaranden är baserade på användning av verktyg som införs genom fyra eller fem åtkomstpunkter (Trokarer) placerade på bukväggen. För att minska antalet troakarer, kan de instrument införas genom en port Laparoskopi (SPL) eller kroppsöppning translumenal endoskopisk kirurgi (OBS) 1. Dessa procedurer förhindra yttre synliga ärr, men ökar svårigheten för kliniker i genomförandet av operationen. Denna begränsning beror främst på de lägre åtkomstpunkter och den styva och halvstyva typ av instrument, som inte kan undvika eller passera runt organ 2, kan 3. Smidighet och rörlighet förbättras med hjälp av ledade och hyper-redundant robotar som kan täcka ett bredare och mer komplexa arbetsyta, thoss gör det möjligt för ett specifikt mål i kroppen som ska uppnås lättare 4, 5, 6 och att arbeta som infällningssystem vid behov 7. En flexibel manipulator kan förbättra vävnad efterlevnad, vilket gör kontakt säkrare än med traditionella verktyg. Men dessa manipulatorer ofta sakna stabilitet när målet har uppnåtts och i allmänhet de inte kan kontrollera kontakten med de omgivande vävnaderna 8, 9. Studier på biologiska strukturer, såsom bläckfisk armen 10 och elefant bålen 11, har nyligen inspirerat utformningen av flexibla, deformerbara och kompatibla manipulatorer med en redundant antal frihetsgrader (DoFs) och kontrollerbar styvhet 12. Dessa typer av enheter använder passiva fjädrar, smarta material, pneumatiska element, eller senor 13, 14, 15. Generellt manipulatorer tillverkade med mjuka och flexibla material garanterar inte generering av stora krafter. THan STYV floppen (stelhet kontrollerbar Flexibel och Lärbar manipulator vid kirurgiska ingrepp) manipulator har nyligen presenterats som en ny kirurgisk anordning för anteckningar och SPL inspirerats av bläckfisk kapacitet. För att övervinna begränsningarna hos tidigare mjuka manipulatörer, den har en mjuk kropp samt hög fingerfärdighet, hög kraft och kontrollerbart styvhet 16. Arkitekturen av manipulatorn bygger på en modulbaserad metod: flera enheter, med samma struktur och funktioner, är integrerade med varandra. Den enda enhet är visad i fig 1. Den är baserad på en elastomerisk cylinder erhållen genom en flerfas fabrikation. Monterings stegen i formkomponenter och gjutningsprocesser gör det möjligt tre tomma kamrar (för fluidic manövrering) och en ihålig central kanal 17 (för bostäder en granulär störning baserad mekanism 18) som bäddas. Kamrarna är placerade på 120 °, så attir kombinerade inflation ger rundstrålande rörelse och töjning. Dessutom ett yttre flätad mantel placeras externt för att begränsa den utåtriktade radiella expansion fluidic kamrarna vid trycksättning, vilket sålunda optimerar effekten av kammarens aktivering i modulen rörelse (böjning och töjning). Den centrala kanalen inrymmer en cylindrisk anordning som består av en extern membran fylld med kornigt material. När ett vakuumtryck anbringas, det ändrar sina elastiska egenskaper orsakar en förstyvande som påverkar hela modulens egenskaper. Motion och styvhets uppträdanden styrs av en extern inställning fattande en luftkompressor och tre tryckventiler för att manövrera kamrarna och en vakuumpump för att aktivera undertrycket i det förstyvande kanalen. Ett intuitivt användargränssnitt möjliggör kontroll över aktivering och vakuumtryck inuti modulen. Detta dokument specificerar fabrication process av den inre modulen i denna manipulator och rapporterar de viktigaste resultat på grundläggande rörelsefunktioner. Med tanke på den modulära naturen hos anordningen möjliggör också de resultat som skall utvidgas och att förutsäga grundläggande beteendet hos en multi-modul manipulator integrera två eller flera moduler bedömningen av tillverkning och prestanda för bara en enda modul.

<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

Under de senaste åren, har mjuka robotteknik väckte ökat intresse inom det medicinska området på grund av deras egensäkra interaktion i ostrukturerade miljöer. Samtidigt har nya förfaranden och tekniker utvecklats för att reducera invasivitet av kirurgiska operationer. Minimalinvasiv kirurgi (MIS) har med framgång använts för buken insatser, är dock standard MIS förfaranden baseras huvudsakligen på styva eller halvstyva verktyg som begränsar fingerfärdighet klinikern. Denna uppsats presenterar en mjuk och hög skicklig manipulator för MIS. Roboten var inspirerad av de biologiska funktionerna i bläckfisk arm, och är utformad med en modulbaserad metod. Varje modul presenterar samma funktionella egenskaper, på så sätt åstadkomma hög fingerfärdighet och mångsidighet när flera moduler är integrerade. Papperet detaljer design, tillverkningsprocessen och material som krävs för utvecklingen av en enda enhet, som är tillverkat av Casting silikon inne specifika formar. Resultatet består i ett elastomercylinder inklusive tre flexibla pneumatiska ställdon som möjliggör töjning och rundstrålande böjning av enheten. En extern flätade manteln förbättrar rörelse av modulen. I mitten av varje modul en granulär störning baserad mekanism varierar styvheten i konstruktionen under uppgifterna. Tester visar att modulen kan böja upp till 120 ° och att förlänga upp till 66% av den ursprungliga längden. Modulen alstrar en maximal kraft på 47 N och dess styvhet kan öka upp till 36%.

De olika faserna i tillverkningen, som beskrivs i protokollet, visas i figur 3. För att utvärdera effektiviteten hos den teknik och resultaten av den slutliga prototypen, var modulen testas i olika arbetsförhållanden. En extern inställning möjliggör kontroll av både aktivering och styvhet modulen. Den innefattar en luftkompressor som aktiverar tre ventiler. De är anslutna till de kisel rören integrerade i kamrarna och låta sina tryck. En vakuumpump är ansluten ti...

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.

Konstruktion och tillverkning av en elastomer Enheten för mjuka Modular Robotar i minimalinvasiv kirurgi

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Elastomeric PGS Scaffolds in Arterial Tissue Engineering

Elastomerisk PGS Byggnadsställningar i arteriellt 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 ...

Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography

Polymera mikronålmatris Fabrication genom fotolitografi

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

Rod-baserade Tillverkning av Anpassningsbara Soft Robotic Pneumatisk gripare enheter för känsliga vävnaden Manipulation

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

Automatiserad robot vätskehantering montering av modulära DNA enheter

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

Biomekanisk karakterisering av mänskliga mjuka vävnader med hjälp av indrag och dragprovning

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

An In Vitro Organ Culture Model of the Murine Intervertebral Disc

An In Vitro Organ Culture Model of the Murine Intervertebral Disc

En<em&gt; In Vitro</em&gt; Organ Kultur Modell av murina mellankotskivan

Intervertebral disc (IVD) degeneration is a significant contributor to low back pain. The IVD is a fibrocartilaginous joint that serves to transmit and ...

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

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

En ny kirurgisk teknik som en grund för In Vivo delvis lever Engineering i råtta

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

Design of a Biocompatible Drug-Eluting Tracheal Stent in Mice with Laryngotracheal Stenosis

Utformning av en biokompatibel drog-Eluting Trakealstent hos möss med Laryngotrakeal stenos

Laryngotracheal stenosis (LTS) is a pathologic narrowing of the subglottis and trachea leading to extrathoracic obstruction and significant shortness of ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspirerad mjuk robot med inbyggda mikroelektroder

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

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Patient-specifika Polyvinyl Alkohol Phantom Tillverkning med ultraljud och röntgenkontrast för hjärntumör Kirurgi Planering

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...