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 ممل…

Representative Results

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

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)