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

本实验的总体目标是采用基于细棒的方法来制备柔性抓取装置。结合3D打印与软光刻技术，该方法有助于解决柔性气动抓取器制备过程中面临的关键问题，例如固化过程中通道堵塞以及气腔集成等难题。

该技术的主要优势在于，能够在柔性夹持器结构内部构建微型化气动通道，从而确保稳定的驱动性能。该技术的应用意义延伸至神经吻合手术领域，因为软体机器人夹持器能够实现对神经的精细操作，避免因夹持力过大而造成的损伤。我们最初产生这一方法的构想，源于在采用传统浇铸密封工艺开发功能性柔性夹持器时遇到困难，随后在浇铸阶段开始尝试使用细杆而得以实现。

首先，在混合容器中称取等质量的两种弹性体组分材料。然后，盖上容器，并将其连同配重一起放入离心混合机中。接着，运行30秒的混合程序，混合阶段转速为2000 RPM，脱气阶段转速为2200 RPM。

预期充分混合的组分在模制后将均匀固化。请注意，模具的设计与制作方法已在文本方案中说明，下一节将介绍其使用方法。该过程首先从模制夹持臂部件开始。

首先，将两个3D打印的腔室模块插入腔室组件的左侧和右侧，以形成一个带有连接气动通道的密封腔室。接下来，根据此模型是单通道还是双通道，将一根或两根直径为1.5毫米的钛金属丝穿过腔室。在夹持器尖端与金属丝之间保留2毫米的距离，以形成气动通道。

现在，用弹性体混合物完全填充模具，确保内部无气泡残留。然后在60摄氏度下固化10分钟。下一步是从模具中抽出金属丝杆和两个腔室模块。

确保气动通道与腔室之间的连接牢固，因为这能使腔室受压后驱动夹持臂动作。接下来，将3D打印的夹持块放置在夹持部件上方，以形成腔室。首先，插入金属丝杆以堵塞模具壁上的孔洞。

然后，将弹性体混合物倒入模具中，并确保模具内无可见的气泡残留。同样在60摄氏度下固化该模具10分钟。接着，将固化后的部件脱模，以组装夹持器腔体结构。

最后一步是向密封腔室组件中充入空气。为此，制备完成组装的2.5毫米密封层。将弹性体混合物倒入模具中，并在60摄氏度下固化10分钟。

固化后，在已固化的2.5毫米密封层上涂覆一层弹性体材料。然后将抓取器腔体结构放置在密封层上，使其形成牢固粘接，确保密封完全，从而形成一个密闭的充气腔体。接着，将整个结构在60°C下再加热固化15分钟。

然后移除剩余的模具以完成装置的制备。操作工具同样由模具制成，具体细节见文本方案。将夹持器插入操作工具中，并用可拆卸的矩形盖板覆盖开口区域。

然后，插入一个可移动活塞以实现腔室压缩，从而构成一个手动工具。或者，将夹持器和线性执行器插入机器人操作工具中。在此情况下，用一个可移动的矩形盖板覆盖开口区域。

为了评估该柔性抓手的功能，使用跳线进行测试。调整抓手位置，使导线位于两个臂之间。然后移动活塞以压缩腔室，驱动抓手臂闭合以夹持导线。

将导线握住并移动至距离其原始位置至少 20 厘米的地方。该方法展示了如何快速制备低成本的柔性气动抓手。只需改变模具设计并使用相同的弹性体，即可制造适用于不同应用的抓手。

此处展示的设计能够抓取直径最大为1.2毫米的物体。在模拟手术中，单个可驱动臂夹具产生的最大压缩力约为0.27牛顿。双可驱动臂装置测得的力约为0.8牛顿。

相比之下，带有和不带弹性体的镊子的夹持力分别约为 1.7 和 2.6 牛顿。一旦掌握，若操作得当，该技术可在一小时内完成。在进行此操作时，务必记住在浇铸前牢固对齐杆件，并仔细完成最终的密封步骤。

完成此操作后，可将制备好的柔性抓手安装到活塞基座或直线执行器基座操作工具上，以实现对抓取动作的直观控制。该技术发展之后，为软体机器人领域的研究人员探索用于精细物体操作的腔室式抓手装置设计铺平了道路。请注意，硅橡胶可能存在误食风险，在执行此操作时应始终采取预防措施，例如佩戴手套。