Rod-gebaseerde Fabrication personaliseerbare Soft Robotic Pneumatische Gripper Inrichtingen voor Delicate Tissue Manipulatie

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

Zachte robots veel onderzoek belang in de robotica gemeenschap gewekt en zij zijn gebruikt in verschillende functionele taken zoals golfvormig locomotie in ongestructureerde omgevingen ¹ pt ² aangrijpend. Zij bestaan ​​hoofdzakelijk uit zachte elastomeren en gecontroleerd door verschillende technieken bediening door het gebruik van verschillende materialen zoals elektroactieve polymeren (EAP), vormgeheugenlegering (SMA) of gecomprimeerd fluïdum ^3. MAP-functie op basis van een differentiële spanning die veroorzaakt elektrostatische krachten actief stammen produceren en daarmee genereert bediening. De eigenaardige vormgeheugen effect van de SMA is ingezet om de gewenste bediening op basis van de troepenmacht tijdens fase transformaties op de verandering in temperatuur te genereren. Tenslotte samengeperst fluïdum bekrachtiging techniek maakt een eenvoudige ontwerpstrategie stijfheid verschil in zachte actuatoren te induceren, zodat de buigzamere regio's opblazenbij het onder druk zetten. Soft robots zijn bedoeld om de toepassingen van traditionele harde robots verbreden, vooral bij toepassingen waarbij delicate objecten worden betrokken. In het bijzonder, in dit artikel, presenteren wij onze unieke aanpak bij het ontwikkelen van soft robotgrijpers voor delicate chirurgische manipulatie.

Chirurgische aangrijpend is een belangrijk aspect betrokken bij vele chirurgische procedures, zoals lever, gynaecologische, urologische en zenuwreparatie operaties ^{4, 5.} Het wordt meestal uitgevoerd door stijve stalen weefsel aangrijpend instrumenten zoals forceps en laparoscopische grijpers voor ter vergemakkelijking observatie, uitsnijding, anastomose procedures, etc. echter, extreme voorzichtigheid is geboden als de conventionele aangrijpende gereedschap zijn gemaakt van metaal dat hoge stress concentratiegebieden kan veroorzaken in het zachte weefsel op de contactpunten ^6. Afhankelijk van de ernst van de weefselbeschadigingen, diverse complicaties, zoals pijn, pathologisch littekenweefsel formatie, en zelfs blijvende invaliditeit tot gevolg kan hebben. Een eerdere studie gemeld dat de complicaties in de perifere zenuw operatie was 3% ^7. Daarom kan het begrip spannen zonder die veilig compatibel grip kan bieden een veelbelovende kandidaat voor delicate chirurgische manipulatie.

Hier presenteren we een combinatie van 3D-printing en gewijzigd zachte lithografie technieken, die een-rod gebaseerde aanpak, om aanpasbare zachte robotic pneumatische grijpers te fabriceren. Traditionele fabricage techniek van zachte robots op basis van samengeperste vloeistof bediening vereist een mal met pneumatische kanalen op het wordt gedrukt en een afdichting proces om de kanalen ⁸ af te dichten. Het is echter niet mogelijk voor geminiaturiseerde zachte robots die kleine pneumatische kanalen wanneer occlusie kanalen gemakkelijk kunnen gebeuren in het lasproces nodig. De traditionele techniek vereist de afdichting van de pneumatische kanalen worden gedaan door binding een bekleed afdichtlaag aan. Vandaar de layer van elastomeer materiaal die in eerste instantie dient als hechtlaag kan vloeistof in de kleine kanalen en die kanalen af ​​te sluiten. Het is ook niet mogelijk om de pneumatische kanalen positie in het midden van de structuur en verbinden met een kameronderdeel gebruik van conventionele technieken. De voorgestelde aanpak laat de oprichting van geminiaturiseerde pneumatische kanalen verbonden met een met lucht gevulde kamer met behulp van staven en heeft afdichting van de kleine kanalen niet nodig. Daarnaast is de kamer verbonden met de pneumatische kanalen dienen als een luchtbron die niet vereist buitenlucht bron voor samengeperste fluïdum bediening. Zij kunnen zowel de handmatige besturingsmodi en robotica verbeteren door de kamer druk naar de greepcomponent bedienen, waardoor gebruikers de mogelijkheid van het regelen van de hoeveelheid kracht die ze toepassen door de grijper. Deze benadering is zeer flexibel en kan worden gebruikt om verschillende types van zachte grijper ontwerpen fabriceren zoals grijpers met één of multiple bedienbare wapens.

Protocol

Opmerking: Alle zachte pneumatische grijpers werden vervaardigd door het gieten op basis van siliconen elastomeer mengsels in op maat gemaakte 3D gedrukte mallen, die een fabricageproces uit drie stappen gevolgd: het vormen van grijper-arm componenten met ingebedde pneumatische kanalen, het gieten van de kamer is verbonden met de pneumatische kanalen en het afdichten van de kamer component gevuld met lucht. 1. Bereiding van Elastomers Plaats een container voor mixer op een weegschaal en tarra he…

Representative Results

De zachte robot pneumatische grijpinrichtingen konden oppakken van voorwerpen met afmetingen tot 1,2 mm in diameter (figuur 6). De maximale grip samendrukkende kracht die door de single- bedienbare arm en dubbel- bedienbare arm zachte grijpinrichtingen waren 0,27 ± 0,07 N respectievelijk 0,79 ± 0,14 N, in vergelijking met 1,71 ± 0,16 N en 2,61 ± 0,22 N drukkrachten in gesimuleerde operatie door de elastomeer gecoate forceps en ongestreken tang (Figuur 7).</st…

Discussion

We hebben met succes aangetoond dat de zachte robot pneumatische grijpinrichtingen toegestaan ​​compatibel grijpen van voorwerpen, die veel lagere drukkrachten uitgeoefend op het aangegrepen object dan de elastomeer gecoate tang tips en tang uitgeoefend. Tang is een essentieel instrument voor de zenuwen manipulatie tijdens de perifere zenuwen reparatie spreekkamers ^{11, 12.} Echter, de metalen structuur vereist uiterste voorzichtigheid in het gebruik van de chirurgen om zenuwschade veroorzaakt door overmati…

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)