Narin Doku Manipülasyon için Özelleştirilebilir Yumuşak Robotik Pnömatik Tutucu Cihazlar Rod tabanlı Fabrikasyon

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

Yumuşak robotlar robotik toplum içinde büyük bir araştırma ilgi uyandırmıştır ve böyle yapılandırılmamış ortamlarda ¹ ve ² tutmasında dalgalı hareketin gibi farklı fonksiyonel görevler kullanılmaktadır. Esas olarak yumuşak elastomerik malzemelerden oluşur ve bu, bellekli alaşımdan (SMA) şekil elektro polimer (DAP), ya da basınçlı akışkan ³ farklı malzemelerin kullanımı ile farklı uyarı teknikleri ile kontrol edilir. elektrostatik kuvvetler aktif suşlar üretmek ve böylelikle harekete geçirilmesini üretir için uyaran bir diferansiyel gerilimine dayanan EAP'ler fonksiyonu. SMAS kendine özgü şekil hafıza etkisi sıcaklık değişikliği üzerine faz dönüşümleri sırasında kuvvet nesil dayalı istenen tahriki üretmek için konuşlanmıştır. Son olarak, sıkıştırılmış sıvı harekete tekniği yumuşak aktüatörler içinde sertlik farkı ikna etmek için basit bir tasarım stratejisi kolaylaştırır, daha uyumlu bölgeler gibi şişirmek olacakbasınçlandırma üzerine. Yumuşak robotlar özellikle hassas nesneler söz konusu uygulamalarda, geleneksel sabit robotların uygulamalarını genişletmek için tasarlanmıştır. Özellikle, bu yazıda, biz hassas cerrahi manipülasyon için yumuşak robotik tutucular geliştirme konusunda benzersiz bir yaklaşım sunuyoruz.

Cerrahi tutma gibi karaciğer, jinekolojik, ürolojik, ve sinir onarım ameliyatları ^{4, 5} gibi birçok cerrahi girişimler rol oynayan önemli bir yönüdür. Genellikle bu tür kolaylaştırmak amacıyla forseps ve laparoskopik graspers gibi sert, çelik doku kavrama araçları tarafından yapılır geleneksel kavrama araçları temas ⁶ noktalarında yumuşak dokuda yüksek stres konsantrasyon alanları neden olabilir metalden yapılmış gibi gözlem, eksizyon, anastomoz prosedürleri, vb Ancak, son derece dikkatli gereklidir. Doku zararların şiddetine bağlı olarak, ağrı gibi çeşitli komplikasyonlar, patolojik yara dokusu formation ve hatta kalıcı sakatlık, neden olabilir. Bir önceki çalışmada periferik sinir cerrahisinde komplikasyon oranı% 3 ⁷ olduğunu bildirdi. Bu nedenle, güvenli uyumlu tutuş sağlayan yumuşak kavrama kavramı narin cerrahi manipülasyon için umut verici bir aday olabilir.

Burada, 3D baskı ve özelleştirilebilir esnek robot pnömatik tutucular imal etmek için, bir çubuk bazlı yaklaşım benimsemiştir modifiye yumuşak litografi teknikleri, bir arada sunuyoruz. Sıkıştırılmış sıvı harekete dayalı yumuşak robotların geleneksel üretim tekniği kanalları ⁸ mühür o ve bir sızdırmazlık süreci üzerine basılmış pnömatik kanallı bir kalıp gerektirir. Ancak, kanal tıkanıklığı kolayca mühürleme işlemi gerçekleşebilir küçük pnömatik kanalları ihtiyaç minyatür yumuşak robotlar için mümkün değildir. Geleneksel tekniği için kaplanmış bir tabaka bağlanması ile yapılabilir pnömatik kanal sızdırmazlık gerektirir. Bu nedenle, Labir bağlama katmanı minik kanallar içine dökmek ve bu kanalları tıkayabilir başlangıçta hizmet veren elastomer malzemenin Yer. Yapının ortasına pnömatik kanal konum ve geleneksel teknikler kullanılarak bir bölme bileşeni bağlamak da mümkün değildir. Önerilen yöntem, bir hava ile dolu odacığı kullanılarak çubuklara bağlanmış minyatür pnömatik kanal oluşturulmasını sağlar ve küçük kanalların sızdırmazlık gerektirmez. Buna ek olarak, pnömatik kanallarına bağlı olan odacık sıkıştırılmış sıvı çalıştırılması için dış hava kaynağı gerektirmeyen bir hava kaynağı olarak hizmet etmektedir. Bu kılavuzunu ve böylece kullanıcılara kıskaç ile başvuran bu kuvvet miktarını kontrol seçeneği sağlayan, sürükleyici bileşeni harekete geçirmek için bölme sıkıştırma kolaylaştırarak robotik kontrol modları sağlar. Bu yaklaşım, son derece özelleştirilebilir ve bu tip bir tekli ya da Mu sahip kıskaçlar gibi yumuşak kıskaç tasarımlarında çeşitli imal etmek için de kullanılabilirhareketlendirilebilen kollarını ltiple.

Protocol

Not: Pnömatik kanallarına bağlı olan odacık bileşenini kalıplamak, gömülü pnömatik kanalları kavrayıcı kol bileşenleri kalıplama: tüm yumuşak pnömatik tutucu üç adım içeren bir imalat işlemi ve ardından özel bir 3D basılmış kalıplar içine silikon bazlı elastomerik karışımlar, döküm ile imal edilmiştir ve hava ile dolu bölme bileşeni mühürleme. Elastomerler 1. Hazırlık Bir tartı ölçekte karıştırıcı bir kap koyunuz ve dara. Bölüm A dökün ve b…

Representative Results

Yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar çapa kadar 1.2 mm boyutlarında (Şekil 6) ile nesneleri toplayıp yeteneğine idi. 1.71 ± 0.16 N ve 2.61 ± 0.22 N basınç kuvvetlerinde kıyasla maksimum kavrama basınç kuvveti tek hareketlendirilebilen-kol tarafından oluşturulan ve hareketlendirilebilen-kol çift-yumuşak kavrama cihazları, 0.79 ± 0.14 N sırasıyla 0.27 ± 0.07 N ve vardı elastomer kaplamalı forseps ve kaplanmamış forseps (Şekil 7)</str…

Discussion

Biz başarıyla elastomer kaplamalı forseps ipuçları ve forseps daha kavranan nesne üzerinde çok daha düşük sıkıştırma kuvvetlerini sarf nesnelerin uyumlu kavrama izin yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar, uygulanan olduğunu ortaya koymuştur. Forseps periferik sinir onarım sırasında sinirler manipülasyon için gerekli bir araç ^{11, 12} ameliyatları olduğunu. Ancak, metalik yapısı aşırı kavrama güçleri ve çevre dokulara arızi hasarlara yol açtığı sinir hasarı önlemek iç…

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)