Konstruktion und Herstellung eines Elastomer-Einheit für Soft Modular Robots in die Minimal Invasive Chirurgie

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls besteht darin, eine weiche Einheit herzustellen, die in einen multimodalen Manipulator für den Einsatz in der minimalinvasiven Chirurgie integriert werden kann. Diese Methode kann dazu beitragen, zentrale Fragen auf dem Gebiet der weichen Robotik zu beantworten, indem sie zeigt, wie das Herstellungsverfahren eines weichen Manipulators mit hoher Beweglichkeit und Versteifungsfähigkeit optimiert werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie sehr schnell und kostengünstig ist.

Außerdem kann das Endprodukt repliziert werden, um eine multimodale Architektur zu erzeugen, die die Leistung des Manipulators verbessert. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da Silikonmodule mit komplexen Formen üblicherweise ein mehrphasiges Publikationsverfahren erfordern, bei dem die Optimierung oft zeitaufwändig ist. Eine visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Herstellungsschritte für die externe Verschiebung schwer zu erlernen sind, da sie auf einer kommerziellen Hellenverschiebung basieren, die für den endgültigen Zweck vollständig modifiziert wird.

Den Ablauf werden Jada Bon, Doktorandin, und Margarita Blanco, wissenschaftliche Mitarbeiterin aus meinem Labor, demonstrieren. Geben Sie 12 Gramm Teil A und 12 Gramm Teil B in dieselbe Petrischale und mischen Sie sie, um das Silikon vorzubereiten. Anschließend das gemischte Silikon in eine DGA unter einem Bar Vakuumdruck geben.

Halten Sie das Material unter Vakuum, bis alle Blasen aus dem Silikonmaterial entfernt sind. Dies dauert typischerweise etwa 10 Minuten. Sobald die Materialien vollständig frei von Blasen sind, heben Sie das Vakuum auf und nehmen Sie das Silikon heraus, das nun gebrauchsfertig ist. Bauen Sie die Form zusammen, indem Sie zuerst den Versteifungszylinder und die Oberseite der Kammern in die Kappe A einsetzen und anschließend die Schalen darum schließen.

Gießen Sie die Silikonmasse in die zusammengesetzte Form bis zum Rand der Schalen. Stellen Sie den Ofen auf eine Temperatur von 60 Grad Celsius ein und stellen Sie die gefüllte Form in den Ofen. Lassen Sie das Silikon etwa 30 Minuten lang aushärten.

Entfernen Sie die äußeren Schalen und Kappe A vom ausgehärteten Silikon. Setzen Sie als Nächstes die Silikonmodule von der Basis der Kammern aus und den Versteifungszylinder in Kappe B ein. Schließen Sie die Schalen erneut um das Modul herum und schieben Sie sie um 10 Millimeter nach oben, sodass ein Spalt von 10 Millimetern zwischen der oberen Oberfläche des Moduls und den Kanten der Schalen verbleibt. Gießen Sie zusätzliches Silikon in die umgebaute Form, bis zum oberen Rand der Schalen.

Den frisch gegossenen Silikon im Ofen bei 60 Grad Celsius etwa 30 Minuten aushärten lassen. Die äußeren Schalenkappen B sowie alle Kammern mit Ausnahme des Versteifungszylinders entfernen. Silikonschläuche mit einem Durchmesser von drei Millimetern auf eine Länge von etwa 30 Zentimetern abschneiden.

Tragen Sie Silikonkleber auf die Außenseite eines Endes jedes Rohrs für die ersten 10 Millimeter auf. Stecken Sie anschließend die Rohre in die zwei Millimeter breiten speziellen Kanäle in der Silikoneinheit.

Lassen Sie den Klebstoff 12 Minuten lang aushärten. Schneiden Sie bei Raumtemperatur 70 Zentimeter eines dehnbaren geflochtenen Schlauches zu und führen Sie anschließend einen metallischen Zylinder mit drei Zentimeter Durchmesser und 25 Zentimeter Länge in den Schlauch ein. Drücken Sie danach den Schlauch fest auf den Zylinder, um Falten zu erzeugen.

Mechanisch die Hülle mit einer Klammer fixieren und mit einer Heißluftpistole bei 350 Grad Celsius zwei bis drei Minuten lang erhitzen. Um eine dauerhafte Verformung zu erzielen, die Hülle auf Raumtemperatur abkühlen lassen und anschließend den inneren Zylinder entfernen. Die Schläuche der Siliziumeinheit durch die Öffnungen der Kappe C führen. Anschließend drei Gramm der DGAs-Silikonmasse in Kappe C gießen und die zuvor hergestellte Unterseite des Moduls in Kappe C schieben. Die gecrimpte Hülle um das Modul schieben, die ersten Crimps in Kappe C hineinschieben und in das frisch gegossene Silikon eintauchen.

Stellen Sie den Ofen auf eine Temperatur von 60 Grad Celsius ein und legen Sie die Probe etwa 20 Minuten lang hinein. Sobald das Silikon ausgehärtet ist, wiederholen Sie denselben Vorgang auf der anderen Seite, wobei Sie Kappe D verwenden, um die Hülle an der Oberseite zu befestigen. Sobald das Silikon auch an der Oberseite ausgehärtet ist, entfernen Sie sowohl Kappe C als auch Kappe D jeweils von der Unter- und Oberseite des Moduls.

Entfernen Sie abschließend den Versteifungszylinder von der gesamten Siliziumeinheit. Gießen Sie einige Gramm flüssigen Latex in ein Plastikglas und tauchen Sie den Zylinder für die Membran in den flüssigen Latex ein, bis die Oberfläche vollständig bedeckt ist. Nehmen Sie ihn anschließend aus dem Latex heraus und lassen Sie die Membran 20 Minuten lang unter der Haube trocknen.

Bilden Sie dann eine zweite Schicht, indem Sie die Membran erneut in den Latex tauchen und weitere 20 Minuten trocknen lassen. Entfernen Sie nach dem Trocknen die Membran aus der Form. Schneiden Sie ein zwei Millimeter durchmessendes Rohr auf eine Länge von 30 Zentimetern zu.

Nehmen Sie dann ein 10 Millimeter mal 10 Millimeter großes Stück Nylongewebe und verschließen Sie ein Ende des Röhrchens mit diesem Gewebe unter Verwendung von Sekundenkleber. Wiegen Sie anschließend etwa vier Gramm gemahlenen Kaffee ab und füllen Sie die Membran so voll wie möglich mit dem Pulver. Führen Sie das filtrierende Ende des Röhrchens in die gefüllte Membran ein und befestigen Sie es darum.

Unter Verwendung eines Kunststofffolie wird an der anderen Seite des Rohrs ein Vakuum angelegt, um die Membran zu versteifen, und anschließend wird die Membran in den leeren zentralen Kanal des Siliziummoduls eingesetzt. Danach werden die Enden der versteifenden Membran mit dem Silikonmodul verklebt. Schließen Sie den Ring an der Unterseite des Moduls.

Geben Sie frisches Silikon in den Ring, um die Oberfläche zu glätten, und lassen Sie das Silikon unter einer Abzugshaube trocknen. Entfernen Sie abschließend die Ringe und wiederholen Sie den Vorgang für die Oberseite des Moduls. Wenn alle drei Kammern gleichzeitig mit demselben Druck betätigt werden, verlängert sich das Modul ausgehend von einer Länge von 50 Millimetern bei Null Bar; bei einem Druck von 0,65 Bar erreicht das Modul eine Länge von 83,3 Millimetern, was einer Dehnung von 33,3 Millimetern entspricht und etwa 66 % beträgt. Die Verwendung nur einer oder zwei Kammern führt dazu, dass sich die Vorrichtung verbiegt.

Das Modul kann sich bis zu 120 Grad biegen, wenn eine Kammer aktiviert wird, und bis zu 80 Grad, wenn zwei Kammern gebogen werden. In beiden Fällen beginnt eine signifikante Biegung, sobald die Kammern auf etwa 0,3 bar aufgepumpt werden. Das Modul kann Kräfte von 24,1 Newton erzeugen, wenn eine Kammer aktiviert wird, und bis zu 47,1 Newton, wenn drei Kammern aufgepumpt werden.

Wenn man die Technik einmal beherrscht, kann sie in vier Stunden durchgeführt werden, sofern sie ordnungsgemäß ausgeführt wird. Diese Technik ebnet den Weg dafür, dass Forscher auf dem Gebiet der weichen Robotik die Kombination von fluidischen Aktuatoren und Technologien mit variabler Steifigkeit für weiche Strukturen erforschen können. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Formgebung von weichen Materialien handhabt und wie man flexible 3D-Aktuatoren mit einem Mechanismus variabler Steifigkeit integriert.

Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit Silikon, bei Vorhandensein von Latex, wirklich gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie das Arbeiten unter einem Abzug und das Tragen von Handschuhen stets beachtet werden sollten, während dieser Prozedur.