Fabrication Rod a base di personalizzabili morbide robotizzati pneumatici Gripper dispositivi per la manipolazione dei tessuti delicati

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

Robot soft hanno suscitato grande interesse la ricerca all'interno della comunità robotica e sono stati utilizzati in diversi compiti funzionali come locomozione ondulatoria in ambienti non strutturati ¹ e ² di presa. Essi sono principalmente costituiti da materiali elastomerici morbidi e controllati da diverse tecniche di azionamento attraverso l'utilizzo di diversi materiali come polimeri elettroattivi (EAP), lega a memoria di forma (SMA), o fluido compresso ^3. funzione EAP basata su una tensione differenziale che induce forze elettrostatiche per produrre ceppi attivi e genera in tal modo di azionamento. L'effetto memoria di forma peculiare della SMA viene distribuito per generare il comando desiderato in base alla costituzione della forza durante trasformazioni di fase al momento della variazione di temperatura. Infine, compresso tecnica azionamento fluido facilita una strategia di progettazione semplice per indurre differenza rigidità attuatori morbide, in modo che le regioni più compatibili si gonfiasu di pressurizzazione. robot molli sono progettati per ampliare le applicazioni del robot rigidi tradizionali, in particolare in applicazioni in cui sono coinvolti oggetti delicati. In particolare, in questo articolo, vi presentiamo il nostro approccio unico allo sviluppo morbide pinze robotici per la manipolazione chirurgica delicata.

Presa chirurgico è un aspetto importante coinvolto in molte procedure chirurgiche come epatica, ginecologica, urologica, e del nervo riparazione ambulatori ^{4, 5.} Essa è tipicamente eseguita da rigidi, strumenti di presa del tessuto in acciaio come le pinze e graspers laparoscopica allo scopo di facilitare osservazione, escissione, procedure di anastomosi, ecc Tuttavia, estrema cautela, poiché gli utensili di presa convenzionali sono fatti di metallo che può causare aree di concentrazione di stress elevato nel tessuto molle nei punti di contatto ^6. A seconda della gravità dei danni tissutali, varie complicazioni, come il dolore, cicatrici patologiche del tessuto formazione, e anche invalidità permanente, possono derivare. Uno studio preliminare ha riferito che il tasso di complicanze nella chirurgia dei nervi periferici è stata del 3% ^7. Pertanto, il concetto di presa morbida che può fornire presa conforme sicura può essere un candidato promettente per delicata manipolazione chirurgica.

Qui, vi presentiamo una combinazione di 3D-stampa e modificate le tecniche di litografia soffice, che ha adottato un approccio tondino-based, per fabbricare personalizzabili morbide pinze pneumatiche robotici. Tecnica di fabbricazione tradizionale di robot morbide, basate su azionamento fluido compresso richiede uno stampo con canali pneumatico stampati su di esso e un processo di sigillatura per sigillare i canali ^8. Tuttavia, non è fattibile per robot morbidi miniaturizzati che necessitano piccoli canali pneumatici dove occlusione dei canali può facilmente accadere nel processo di sigillatura. La tecnica tradizionale richiede la sigillatura dei canali pneumatiche essere fatto legando uno strato sigillante rivestito ad esso. Quindi, la layer di materiale elastomerico che serve inizialmente come uno strato di incollaggio potrebbe fuoriuscire nei piccoli canali e occludono quei canali. Inoltre non è possibile posizionare i canali pneumatici al centro della struttura e collegarsi ad un componente camera con tecniche convenzionali. L'approccio proposto permette la creazione di canali pneumatici miniaturizzati collegato a una camera di aste usando pieni d'aria e non richiede sigillatura dei piccoli canali. Inoltre, la camera collegata ai canali pneumatici servire come fonte d'aria che non richiede fonti d'aria esterna per l'azionamento fluido compresso. Esso permette sia la modalità di controllo robotici facilitando la compressione della camera per azionare il componente di presa, fornendo così agli utenti la possibilità di controllare la quantità di forza che sono candidati attraverso la pinza manuale e. Questo approccio è altamente personalizzabile e può essere utilizzato per fabbricare vari tipi di disegni pinze morbidi come pinze con singola o multiple braccia azionabili.

Protocol

Nota: Tutte le pinze pneumatiche morbide sono state realizzate per fusione miscele elastomeriche a base di silicone in stampi 3D-stampati personalizzati, che ha seguito un processo di fabbricazione che comprende tre fasi: stampaggio di componenti pinza braccio con canali pneumatici incorporati, stampaggio componente camera collegata ai canali di pneumatici , e sigillare il componente camera riempita con aria. 1. Preparazione di Elastomeri Posizionare un contenitore per mixer su una bilancia e ta…

Representative Results

I dispositivi di presa pneumatiche robotici analcoliche erano in grado di raccogliere oggetti di dimensioni fino a 1,2 mm di diametro (Figura 6). L'impugnatura forza massima di compressione generata dal singolo azionabile braccio e doppio azionabile braccio dispositivi di presa analcoliche erano 0,27 ± 0,07 N e rispettivamente 0,79 ± 0,14 N, rispetto a 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forze di compressione a chirurgia simulata dalle pinze elastomero e da una pinza n…

Discussion

Abbiamo dimostrato con successo che le morbide robotici dispositivi pinza pneumatica consentiti presa compatibile degli oggetti, che esercitano forze di compressione molto più bassi per l'oggetto afferrato rispetto alle pinze punte elastomero e pinze esercitate. Pinze è uno strumento essenziale per la manipolazione dei nervi durante la riparazione dei nervi periferici ambulatori ^{11, 12.} Tuttavia, la sua struttura metallica necessaria estrema cautela nell'uso dai chirurghi al fine di evitare danni ai…

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)