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

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, eine weiche Einheit herzustellen, die in einen multimodalen Manipulator für den Einsatz in der minimalinvasiven Chirurgie integriert werden kann. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich der weichen Robotik zu beantworten, indem sie zeigt, wie der Herstellungsprozess eines weichen Manipulators mit hoher Geschicklichkeit und Versteifungsfähigkeit optimiert werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie sehr schnell und kostengünstig ist.

Darüber hinaus kann das Endprodukt repliziert werden, um eine multimodale Architektur zu erzeugen, die die Leistung des Manipulators verbessert. In der Regel werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da Silikonmodule mit komplexen Formen in der Regel ein mehrstufiges Veröffentlichungsverfahren erfordern, bei dem die Optimierung oft zeitaufwändig ist. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Fertigungsschritte für die externe Schicht schwer zu erlernen sind, da sie auf einer kommerziellen Hellschicht basieren, die für den endgültigen Zweck vollständig modifiziert wird.

Verfahren wird von Jada Bon, Doktorandin, und Margarita Blanco, Forschungsassistentin aus meinem Labor, demonstriert. Gib 12 Gramm von Teil A und 12 Gramm von Teil B in dieselbe Petrischale und vermische sie miteinander, um das Silikon vorzubereiten. Legen Sie dann das gemischte Silikon in ein DGA unter einem Bar Vakuumdruck.

Halten Sie das Material unter Vakuum, bis alle Blasen vom Silikonmaterial entfernt wurden. Dies dauert in der Regel etwa 10 Minuten, sobald die Materialien vollständig frei von Blasen sind, das Vakuum abgelassen und das Silikon entfernt wird, das nun gebrauchsfertig ist. Bauen Sie die Form zusammen, indem Sie zuerst den Versteifungszylinder und die Oberseite der Kammern in Kappe A einsetzen und dann die Schalen um sie herum schließen.

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

Entfernen Sie die äußeren Schalen und die Kappe A vom ausgehärteten Silikon. Setzen Sie dann die Silikonmodule von der Basis der Kammern und dem Versteifungszylinder in der Kappe B ein. Schließen Sie die Schalen wieder um das Modul herum und schieben Sie sie 10 Millimeter nach oben, so dass zwischen der Oberseite des Moduls und den Rändern der Schalen ein Abstand von 10 Millimetern entsteht. Gießen Sie zusätzliches Silikon in die neu angeordnete Form bis zum Rand der Schalen auf der Oberseite.

Das frisch gegossene Silikon im Backofen bei 60 Grad Celsius ca. 30 Minuten aushärten. Entfernen Sie die äußere Schalenkappe B und alle Kammern mit Ausnahme des Versteifungszylinders. Schneiden Sie Silikonrohre mit einem Durchmesser von drei Millimetern auf eine Länge von etwa 30 Zentimetern.

Tragen Sie die ersten 10 Millimeter Silikonkleber um die Außenseite eines Endes jedes Rohrs auf. Führen Sie dann die Schläuche in die zwei Millimeter großen Kanäle ein. In der Siliziumeinheit.

Lasse den Kleber 12 Minuten aushärten. Schneiden Sie bei Raumtemperatur 70 Zentimeter einer dehnbaren geflochtenen Hülle ab und führen Sie dann einen 25 Zentimeter langen Metallzylinder mit einem Durchmesser von drei Zentimetern in die Scheide ein. Drücken Sie dann den Mantel nach unten und drücken Sie ihn auf den Zylinder, um Crimpungen zu erzeugen.

Fixieren Sie den Mantel mechanisch mit einer Klemme und erhitzen Sie ihn mit einer Heißluftpistole bei 350 Grad Celsius für zwei bis drei Minuten. Um eine bleibende Verformung zu erhalten, lassen Sie den Mantel auf Raumtemperatur abkühlen und entfernen Sie dann den inneren Zylinder. Führen Sie die Schläuche von der Silikoneinheit durch die Löcher der Kappe C.Gießen Sie dann drei Gramm des DGA-Silikons in die Kappe C und schieben Sie die Unterseite des zuvor hergestellten Moduls in die Kappe C. Schieben Sie den gecrimpten Mantel um das Modul und schieben Sie die ersten Crimps in die Kappe C und tauchen Sie sie in das frisch gegossene Silikon

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

Entfernen Sie abschließend den Versteifungszylinder von der gesamten Silikoneinheit. Gießen Sie einige Gramm Flüssiglatex in ein Plastikglas und tauchen Sie den Zylinder für die Membran in das Flüssiglatex, bis die Oberfläche vollständig bedeckt ist. Entfernen Sie es dann vom Latex und lassen Sie die Membran 20 Minuten unter der Haube trocknen.

Bilden Sie dann eine zweite Schicht, indem Sie sie erneut in das Latex eintauchen und weitere 20 Minuten trocknen lassen. Sobald sie getrocknet ist, entferne die Membran aus der Form. Schneiden Sie ein Rohr mit einem Durchmesser von zwei Millimetern auf eine Länge von 30 Zentimetern zu.

Nehmen Sie dann ein 10 Millimeter mal 10 Millimeter großes Stück Nylongewebe und verschließen Sie ein Ende der Tube mit diesem Gewebe mit Sekundenkleber. Wiegen Sie anschließend etwa vier Gramm granulierten Kaffee ab und füllen Sie die Membran so weit wie möglich mit dem Pulver. Führen Sie das gefilterte Ende des Rohrs in die gefüllte Membran ein und befestigen Sie es um das Rohr.

Üben Sie mit einer Kunststofffolie ein Vakuum auf der anderen Seite des Rohrs aus, um die Membran zu versteifen, und setzen Sie die Membran dann in den leeren Mittelkanal des Silikonmoduls ein. Als nächstes kleben Sie die Enden der Versteifungsbahn auf das Silikonmodul. Schließen Sie den Ring um die Unterseite des Moduls.

Gießen Sie etwas frisches Silikon in den Ring, um die Oberfläche zu nivellieren und lassen Sie das Silikon unter einer Haube trocknen. Entfernen Sie abschließend die Ringe und wiederholen Sie den Vorgang für die Oberseite des Moduls. Werden alle drei Kammern gleichzeitig mit dem gleichen Druck betätigt, dehnt sich das Modul ab der Länge von 50 Millimetern bei null bar, erreicht das Modul bei 0,65 bar Druck 83,3 Millimeter, was einer Dehnung von 33,3 Millimetern entspricht, was etwa 66 % entspricht. Die Verwendung von nur einer oder zwei der Kammern führt zu einer Verbiegung des Aufbaus.

Das Modul ist in der Lage, bei einer Einkammerbiegung bis zu 120 Grad und bei einer Zweikammerbiegung bis zu 80 Grad zu biegen. In beiden Fällen beginnt eine deutliche Biegung, wenn die Kammern um etwa 0,3 bar aufgeblasen werden. Das Modul ist in der Lage, Kräfte von 24,1 Newton bei Betätigung einer Kammer bis zu 47,1 Newton bei Aufblasen von drei Kammern zu erzeugen.

Sobald Sie diese Technik beherrschen, kann sie in vier Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Diese Technik ebnet Forschern auf dem Gebiet der weichen Robotik den Weg, die Kombination zwischen Fluidik-, Aktativ- und variablen Steifigkeitstechnologien für weiche Strukturen zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie das Formen weicher Materialien handhaben und wie Sie flexible 3D-Rechner mit einem variablen Steifigkeitsmechanismus integrieren können.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Silikon und Latex sehr gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten, wie z. B. das Arbeiten unter dem Abzug und das Tragen von Handschuhen.