基于杆件的可定制软体机器人气动抓手装置 fabrication 用于精细组织操作

摘要

本方案介绍了一种基于杆状结构的方法，结合3D打印与软光刻技术，用于制备柔性抓取装置。该方法通过集成腔室组件，无需外部气源，同时降低了密封过程中发生堵塞的风险，尤其适用于微型化气动通道的制造。

摘要

柔软且顺应性良好的夹持器在精细外科操作中至关重要，可最大限度地降低因接触点应力集中而导致的组织夹持损伤风险。通过将传统的刚性夹持器与软体机器人气动夹持装置相结合，可实现这一目标。本文描述了一种基于杆件的方法，结合了3D打印和改进的软光刻技术来制备这种软性气动夹持器。简而言之，无气动结构特征的模具（含腔室部件）通过3D打印制成，利用杆件形成与腔室相连的气动通道。该方案消除了在密封过程中通道堵塞的风险，且无需外部气源或相关控制电路。该软性夹持器由一个充气腔室和一个或多个带有气动通道的夹持臂组成，每个夹持臂中的气动通道均与腔室连通。气动通道靠近外壁布置，以在夹持臂中产生不同的刚度。当腔室受压时，压力作用于气动通道，由于外壁区域更具顺应性，夹持臂会向内弯曲，形成闭合夹持姿态。该软性夹持器可插入一个3D打印的操作工具中，该工具提供两种不同的腔室压缩控制模式：一种是带有可移动活塞的手动夹持模式，另一种是配备线性执行器的机器人夹持模式。具有两个可驱动臂的双臂夹持器能够抓取尺寸达2 mm的物体，且产生的压缩力低于弹性体涂层及无涂层的刚性夹持器。研究还展示了其他设计（如单臂或钩形夹持器）的可行性，进一步突显了该软性夹持器装置的高度可定制性，及其在精细外科操作中减少组织夹持损伤风险的应用潜力。

引言

软体机器人在机器人学领域引发了广泛的研究兴趣，并已被应用于多种功能任务，例如在非结构化环境中的波动式运动¹和抓取操作²。它们主要由柔软的弹性体材料构成，并通过多种驱动技术进行控制，所使用的材料包括电活性聚合物（EAP）、形状记忆合金（SMA）或压缩流体³。EAP基于施加的电压差产生静电作用力，从而引起主动应变并实现驱动。SMA则利用其特有的形状记忆效应，在温度变化引发相变过程中产生驱动力，以实现所需的驱动效果。最后，压缩流体驱动技术提供了一种简单的设计策略，可在软体驱动器中引入刚度差异，使得较柔顺的区域在加压时发生膨胀。软体机器人的设计旨在拓展传统刚性机器人的应用范围，特别是在涉及精细物体的操作场景中。本文中，我们提出了一种独特的软体机器人抓手开发方法，用于精细的外科操作。

外科抓取是许多外科手术中的重要环节，例如肝胆、妇科、泌尿科以及神经修复手术^{4, 5}。通常使用刚性金属组织抓取工具（如镊子和腹腔镜抓钳）来实现观察、切除、吻合等操作等。然而，由于传统抓取工具由金属制成，在与软组织接触的部位可能产生较高的应力集中区域，因此需格外谨慎⁶。根据组织损伤的严重程度，可能导致多种并发症，如疼痛、病理性瘢痕组织形成，甚至永久性功能障碍。既往一项研究报道，周围神经手术的并发症发生率为3%⁷。因此，能够提供安全顺应性抓握的柔性抓取技术，有望成为精细外科操作的可行选择。

本文介绍了一种结合3D打印与改进的软光刻技术的方法，采用基于杆件的策略，用于制造可定制的软体机器人气动抓手。传统的基于压缩流体驱动的软体机器人制造技术需要在模具上打印气动通道，并通过密封工艺封闭通道⁸。然而，对于需要微小气动通道的微型软体机器人而言，该方法并不可行，因为在密封过程中通道容易发生堵塞。传统技术需通过将涂覆的密封层粘合至通道上来实现密封，因此原本作为粘合层的弹性体材料可能流入微小通道内部，导致通道堵塞。此外，使用传统技术无法将气动通道置于结构中间位置，并与腔室部件实现连接。本文提出的方法利用杆件构建微型气动通道，并将其连接至充气腔室，无需对微小通道进行密封。此外，与气动通道相连的腔室可作为气源，无需依赖外部压缩流体供气系统。该方法通过推动腔室压缩来驱动抓取部件，支持手动与机器人控制两种模式，使用户能够灵活控制抓手施加的力的大小。该方法具有高度可定制性，可用于制造多种类型的软体抓手结构，例如具有单个或多个可驱动臂的抓手。

方案

注意：所有软体气动夹持器均通过将基于硅胶的弹性体混合物浇铸到定制的3D打印模具中制备而成，其制备过程包括三个步骤：模制带有嵌入式气动通道的夹持器臂部件、模制与气动通道相连的腔室部件，以及密封充满空气的腔室部件。

1. 弹性体的制备

1. 将混合容器放在电子天平上归零去皮。按1:1的质量比，将硅基弹性体的A组分和B组分倒入容器中。
2. 盖上容器，称量总质量。
3. 将容器及材料放入离心混合器中。将混合器的重量平衡调节至步骤1.2中测得的质量。
4. 设定混合和脱泡模式分别为2,000 rpm和2,200 rpm，持续30秒。充分混合弹性体组分，以实现均匀固化。

2. 模具设计与制作

注意：模具的几何形状将根据不同应用的具体需求而变化。以下步骤说明了在 CAD 软件中创建模具腔室和夹持器组件所需的一般关键步骤。

1. 使用计算机辅助设计（CAD）软件设计模具和密封模具。参见 图1 有关本论文所用模具的几何形状和具体尺寸。
   1. 外边界框的设计
      1. 右键单击顶面，然后单击 "正常至" 按钮，用于归一化至顶平面。
      2. 点击 "草图" 左上角以打开一个 "草图" 窗口，然后单击 "草图" 单击工具栏左上角的按钮，绘制腔室组件的矩形基底。
      3. 点击 "智能维度" 特征，位于其旁边 "草图" 按钮，以定义草图尺寸。确保草图完全定义（即， 所有绘制的线条变为黑色后，退出草图。
      4. 点击 "特点" 窗口，然后单击 "凸出-基体/凸台" 沿Y方向拉伸选定轮廓的特征。
      5. 单击模型的顶面以预选草图平面。绘制一个矩形，并按照 2.1.1.2 和 2.1.1.3 中所述定义其尺寸。
      6. 点击 "特点" 窗口。然后，单击 "挤出切割" 用于浇铸弹性体的型腔挤出切割特征图 2A）。确保壁厚为2.5 mm。
   2. 内腔设计
      1. 右键单击开口区域 Y 方向的表面，然后单击 "正常至" 归一化至该表面。
      2. 接下来，单击 "草图" 窗口绘制矩形以定义腔室组件，具体步骤如 2.1.1.2 和 2.1.1.3 所述。
      3. 点击 "特点" 窗口。然后，单击 "拉伸凸台/基体" 在 Y 方向挤出腔室组件的特征图2B).
         注意：2.1.1.6 步骤中的切割深度比该挤出基座大 2.5 mm。
   3. 夹持器组件的设计
      1. 在模型的负X方向表面单击，以预选夹持器组件的草图平面。绘制一个矩形 "草图" 步骤2.1.1.2和2.1.1.3中所述的窗口
      2. 点击 "特点" 窗口，然后单击 "拉伸凸台/基体" 沿负X方向拉伸所选轮廓的特征。
      3. 单击夹持器组件的顶面以预选草图平面。在该平面上绘制夹持器的形状 "草图" 窗口图 2C）并在尺寸完全定义后退出草图，具体操作如步骤 2.1.1.2 和 2.1.1.3 所述。
      4. 点击 "特点" 窗口，然后单击 "挤出切割" 用于在夹持器部件中切割出弹性体浇铸的型腔，确保壁厚为2.5 mm。
   4. 腔室与夹持器连接结构的设计
      1. 在 "草图" 腔室部件顶面的窗口，如2.1.1.2和2.1.1.3所述。
      2. 点击 "特点" 窗口，然后单击 "挤出切割" 用于在腔室与夹持器组件之间建立连接（图 2D).
   5. 气动通道的设计
      1. 按照步骤 2.1.1.2 和 2.1.1.3 所述，在腔室部件表面沿正 X 方向创建直径为 1.5 mm 的圆。
      2. 点击 "特点" 窗口。然后，单击 "挤出切割" 用于创建插入钢丝的通道（图2E）。确保孔未完全切穿夹持器部件。
2. 在另一个 CAD 文件中，绘制一个密封模具，其型腔的长度和宽度比夹持器腔室部件的外轮廓尺寸大 1 mm。注意：壁厚为 2.5 mm。
   1. 点击 "草图" 按照步骤2.1.1.2和2.1.1.3所述，在顶面创建一个矩形窗口。
   2. 点击 "特点" 窗口。然后，单击 "凸台/基体拉伸" 沿Y方向拉伸选定轮廓的特征。
   3. 单击模型的顶面以预选草图平面。绘制一个矩形，并按照步骤 2.1.1.2 和 2.1.1.3 中所述定义其尺寸。
   4. 点击 "特点" 窗口，然后单击 "挤出切割" 使用拉伸切除功能为铸造弹性体创建型腔，确保壁厚为2.5 mm。
3. 将每个模具部件保存为 .STL 文件，用于 3D 打印。
4. 将 .STL 文件导入分辨率为 30 µm 的 3D 打印机，并打印模具部件⁹.
5. 移除模具部件上的所有支撑材料，并用水清洗模具部件。

3. 柔性单/双驱动臂气动夹持器

1. 使用嵌入式气动通道模制夹持器臂部件
   1. 将两个3D打印的腔室堵头分别插入腔室部件的左侧和右侧（图3A），以形成一个带有连接气动通道的密封腔室。
   2. 将两根直径为1.5 mm的钛金属丝穿过腔室，使其距离夹持器尖端保持2 mm的距离，以形成气动通道（图3A）。注意：单驱动臂夹持器使用一根金属丝。
   3. 将弹性体混合物倒入模具中，完全填充夹持器部件。
   4. 确保无可见气泡存在。
   5. 将模具放入烘箱中，在60 °C下固化10分钟。弹性体固化后，将模具从烘箱中取出。
2. 模制与气动通道相连的腔室部件
   1. 将金属丝和两个腔室堵头从模具中抽出。
   2. 将一个3D打印的夹持器堵头放置在夹持器部件上方，以形成腔室（图3B）。插入金属丝以封堵模具壁上的孔洞。
   3. 将弹性体混合物倒入模具中，填充腔室部件的剩余部分，并确保模具中无可见气泡滞留。
   4. 在60 °C下固化10分钟。弹性体固化后，将模具从烘箱中取出。
   5. 移除夹持器堵头，并将完全固化的带有腔室结构的夹持器脱模。
3. 密封充满空气的腔室部件
   1. 将弹性体混合物倒入密封模具中，在60 °C下固化10分钟。
   2. 在已固化的2.5 mm密封层上涂刷一层弹性体材料。将带有腔室结构的已固化夹持器放置在涂覆后的密封层上方，并将两部分粘合在一起（图3C）。
   3. 随后，在60 °C下将整个结构完全固化15分钟。
   4. 将完全固化的软体机器人夹持器装置脱模。

4. 将柔性机器人气动抓取装置插入操作工具

1. 使用 CAD 软件按照补充文件 1 中的描述设计操作工具，并将其保存为 .STL 文件。工具的尺寸参见图 4和图 5。
2. 将 .STL 文件载入 3D 打印机并打印模具部件⁹。
   注意：手动控制操作工具、矩形盖板和可移动活塞（图 4）的所有打印步骤可在 3 小时 48 分钟内完成。机器人控制操作工具和矩形盖板（图 5）的打印时间为 1 小时 56 分钟。3D 打印机操作说明详见补充文件 2。
3. 打印完成后，去除工具上的任何支撑材料，然后用水清洗工具。
4. 将夹持器插入手动控制操作工具（图 4A）中，并用可移动的矩形盖板覆盖开口区域（图 4B）。
5. 插入可移动活塞（图 4C）以方便腔室压缩。
6. 将夹持器和直线执行器插入机器人控制操作工具中（图 5A）。注意：在机器人控制模式下，直线执行器取代手动控制模式中的可移动活塞，用于腔室压缩。
7. 用可移动的矩形盖板覆盖开口区域（图 5B）。

5. 评估与握力压缩测试

1. 通过使用跳线进行抓取测试，评估该柔性抓手的功能性。
   1. 在桌面上放置一根跳线。
   2. 调整夹具，使导线位于两个夹具臂之间。
   3. 移动可动活塞以压缩腔室，从而驱动夹持臂夹紧导线。
      注意：夹持演示中仅使用手动控制操作工具。
   4. 将导线夹持并移动至距离其原始位置20 cm处的盒子中。
2. 将校准后的力敏电阻置于夹持器的两个夹爪之间，确保夹爪夹住传感区域。注意：传感区域的直径为14.7 mm。
3. 压缩腔体，以驱动夹持臂夹住力敏电阻。
4. 测量软体单驱动臂和双驱动臂气动夹持器所能产生的最大握持压缩力，方法如所述 ¹⁰.
   注意：读出值将显示在笔记本电脑上。最大握力压缩力是在气动通道所能承受的最大压力点处测得的。
5. 从柔软的双驱动臂气动夹具上切割出单个弹性夹持颚。
6. 将镊子尖端插入弹性夹爪的气动通道中。
7. 将一个经过校准的力敏电阻置于镊子的两个钳口之间。
8. 测量压缩力¹⁰ 由神经外科医生在模拟神经外科手术中使用涂有弹性体的镊子和普通镊子所产生的。
   注意：神经外科医生施加在力敏电阻上的力应与其在实际手术中通常施加的力相似。
9. 对每项测试中五次试验获得的数据进行平均。

结果

柔性机器人气动夹持器装置能够抓取直径最大达1.2 mm的物体（图6）。单驱动臂和双驱动臂柔性夹持器装置产生的最大夹持压缩力分别为0.27 ± 0.07 N和0.79 ± 0.14 N，相比之下，弹性体涂层镊子和未涂层镊子在模拟手术中产生的压缩力分别为1.71 ± 0.16 N和2.61 ± 0.22 N（图7）。夹持力的大小可能因夹持器的几何结构和气动通道的尺寸而异。弹性体的材料特性将决定气动通道所能承受的最大压力，进而影响夹持力。所提出的工艺方法（图3）表明，可在较短的制造时间内以低成本实现柔性气动夹持器的制备，本研究对这类夹持器的功能性进行了评估。通过采用所述工艺方法，只需设计相应的弹性体浇铸模具，即可为不同应用制造出多种夹持器结构。

这些结果表明，采用所提出的制造技术，可以在不对被抓取物体施加过大应力的情况下实现顺应性抓握。柔性抓手臂的适应性使其...

讨论

我们已成功证明，软体机器人气动抓手装置能够实现对物体的顺应性抓握，其施加在被抓握物体上的压缩力远低于弹性体涂层镊子尖端和传统镊子所施加的力。镊子是外周神经修复手术中进行神经操作的重要工具^{11, 12}。然而，由于其金属结构，在使用时需要外科医生格外谨慎，以避免因夹持力过大而导致神经损伤以及对周围组织造成意外损伤。根据损伤程度的不同，可能引发从较轻微的症状（如疼痛）到严重并发症（如血栓形成甚至永久性残疾）等一系列问题。考虑到在手术操作过程中需避免对神经组织造成意外损伤，我们的初步研究结果表明，这些软体机器人气动抓手装置有望成为现有镊子的补充工具，在精细组织操作中通过实现顺应性抓握能力来降低损伤风险。用于制造该软抓手的硅胶基弹性体的杨氏模量为 0.8 × 10⁵ Pa，与柔软可变形的人体肌肉和组织的杨氏模量相当^{13, 14}。因此，与传统的刚性抓手相比，它将显著降低组织损伤的风险。

在所述的所有步骤中，最关键的步骤是模具设计中气动通道的位置设置、固化前排除滞留的气泡，以及气室的密封。气动通道不应过于靠近抓手的外壁，以防止执行...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电子天平	Severin	KW3667	（步骤：弹性体的制备）
Ecoflex Supersoft 0030 弹性体	Smooth-On	EF0030	（步骤：弹性体的制备）
行星式离心混合器及容器	THINKY USA Inc.	ARE-310	（步骤：弹性体的制备）
Solidworks CAD	Dassault Systèmes	Solidworks 研究订阅版	（步骤：软式单/双驱动臂气动夹持器）
Objet 3D 打印机	Stratasys	260 Connex2	（步骤：软式单/双驱动臂气动夹持器）
钛金属线材	Titan Engineering	N/A	（步骤：软体机器人气动夹持装置插入操作工具）
带定时器的自然对流烘箱	Thermo Fisher Scientific	BIN#ED53	（步骤：软式单/双驱动臂气动夹持器）
直线执行器	Firgelli Technologies	L12	（步骤：将软体机器人气动夹持装置插入操作工具）
跳线	sgbotic	CAB-01146	（步骤：评估与夹持压缩测试）
力敏电阻	Interlink Electronics	FSR402	（步骤：评估与夹持压缩测试）