a base de varilla de fabricación de dispositivos robóticos adaptables pinza neumática suaves para la manipulación del tejido delicado

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

Robots suaves han despertado gran interés en la investigación dentro de la comunidad de la robótica y se han utilizado en diferentes tareas funcionales, tales como la locomoción ondulatoria en entornos no estructurados ¹ y ² de agarre. Ellos se componen principalmente de materiales elastoméricos suaves y controlados por diferentes técnicas de actuación a través de la utilización de diferentes materiales tales como polímero electroactivo (EAP), la forma de aleación de memoria (SMA), o fluido comprimido ^3. función EAPs basado en un voltaje diferencial que induce fuerzas electrostáticas para producir cepas activas y de ese modo genera accionamiento. El efecto de memoria de forma peculiar de la SMA se despliega para generar el accionamiento deseado basado en la generación de la fuerza durante las transformaciones de fase en el cambio en la temperatura. Por último, la técnica de accionamiento fluido comprimido facilita una estrategia de diseño simple para inducir la diferencia de rigidez en los actuadores suaves, de forma que las regiones más compatibles se inflaránsobre presurización. robots suaves están diseñados para ampliar las aplicaciones de robots duros tradicionales, especialmente en aplicaciones en las que están implicados los objetos delicados. En particular, en este trabajo, presentamos nuestro enfoque único en el desarrollo de pinzas robóticas suaves para la manipulación quirúrgica delicada.

Sujeción de aplicaciones quirúrgicas es un aspecto importante implicado en muchos procedimientos quirúrgicos, tales como hepático, ginecológica, urológica, y el nervio cirugías de reparación de ^{4, 5.} Se lleva a cabo típicamente por, herramientas rígidas de agarre de tejido de acero tales como los fórceps y pinzas laparoscópicas para el propósito de facilitar observación, la escisión, procedimientos de anastomosis, etc. Sin embargo, se requiere extremo cuidado ya que las herramientas de sujeción convencionales están hechas de metal que pueden causar zonas de alta concentración de tensión en el tejido blando en los puntos de contacto ^6. Dependiendo de la gravedad de los daños tisulares, diversas complicaciones, como el dolor, la cicatriz patológica del tejido formación, e incluso incapacidad permanente, pueden resultar. Un estudio previo reportó que la tasa de complicaciones en la cirugía de nervios periféricos fue del 3% ^7. Por lo tanto, el concepto de agarre suave que puede proporcionar un agarre seguro compatible puede ser un candidato prometedor para la manipulación quirúrgica delicada.

A continuación, presentamos una combinación de técnicas de litografía blanda modificados, que adoptaron un enfoque basado en la barra, para fabricar pinzas neumáticas robóticos suaves adaptables 3D-impresión y. Técnica de fabricación tradicional de robots blandos a base de accionamiento de fluido comprimido requiere un molde con canales neumáticos impresas en él y un proceso de sellado para sellar los canales ^8. Sin embargo, no es factible para robots suaves miniaturizados que necesitan pequeños canales neumáticos donde la oclusión de canales puede suceder fácilmente en el proceso de sellado. La técnica tradicional requiere el sellado de los canales neumáticos que ser hecho por unión de una capa de sellado revestido a ella. Por lo tanto, el layer de material elastomérico que sirve inicialmente como una capa de unión puede derramarse en los pequeños canales y ocluir esos canales. Tampoco es posible colocar los canales neumáticos en el centro de la estructura y conectarse a un componente de la cámara usando técnicas convencionales. El enfoque propuesto permite la creación de canales neumáticos miniaturizados conectados a una cámara usando barras llenas de aire y no requiere sellado de los pequeños canales. Además, la cámara conectada a los canales neumáticos sirven como una fuente de aire que no requiere fuentes de aire externas para el accionamiento de fluido comprimido. Se permite que tanto los modos de control robóticos facilitando la cámara de compresión para accionar el componente de agarre, proporcionando así a los usuarios la opción de controlar la cantidad de fuerza que están aplicando a través de la pinza manual y. Este enfoque es altamente adaptable y se puede utilizar para fabricar varios tipos de diseños de agarre blandos, tales como pinzas con simple o multiple brazos accionables.

Protocol

Nota: Todas las pinzas neumáticas blandos fueron fabricados por colada mezclas de elastómeros a base de silicona en moldes 3D-impresos personalizados, que siguieron un proceso de fabricación que comprende tres pasos: el moldeo de componentes de agarre de mano dura con los canales neumáticos incrustadas, moldeando componente cámara conectada a los canales de neumáticos , y sellar el componente de cámara llena de aire. 1. Preparación de los elastómeros Colocar un recipiente para el mezcla…

Representative Results

Los dispositivos de agarre neumáticos robóticos suaves eran capaces de recoger objetos con dimensiones de hasta 1,2 mm de diámetro (Figura 6). La fuerza máxima de agarre a la compresión generada por el simple accionable-brazo y doble accionable-brazo dispositivos de pinzado blandos fueron 0,27 ± 0,07 N y 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, en comparación con 1,71 ± 0,16 N y 2,61 ± 0,22 N fuerzas de compresión en cirugía simulada por las pinzas de elastómero recu…

Discussion

Hemos demostrado con éxito que los dispositivos de agarre suave neumática robóticos permiten agarre compatible de objetos, que ejercen fuerzas de compresión mucho más bajos en el objeto que se agarra de los fórceps y pinzas consejos impregnados de elastómero ejercidas. Fórceps es una herramienta esencial para la manipulación de los nervios durante la reparación de nervios periféricos cirugías de ^{11, 12.} Sin embargo, su estructura metálica requiere extremo cuidado en el uso de los cirujanos con el…

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)