Rod-basierte Herstellung von Anpassbare Weiche Robotic Pneumatic Gripper Geräte für empfindliche Gewebe Manipulation
2. August 2016
Dieses Protokoll beschreibt einen stabbasierten Ansatz, der 3D-Druck und weiche Lithographie-Techniken zur Herstellung der weichen Greifer kombiniert. Dieser Ansatz macht eine externe Luftquelle überflüssig, indem eine Kammerkomponente eingebaut wird, und reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Okklusion während des Versiegelungsprozesses, insbesondere bei miniaturisierten pneumatischen Kanälen.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, weiche Greifer mit einem stabbasierten Ansatz herzustellen. Kombiniert mit 3D-Druck und Soft-Lithographie-Techniken. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Probleme zu lösen, die bei der Herstellung von weichen pneumatischen Greifern auftreten, wie z. B. der Kanalverschluss während des Abbindeprozesses und der Einbau einer Luftkammer.
Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir miniaturisierte pneumatische Kanäle in die weichen Greiferstrukturen einbauen können, um eine gleichmäßige Betätigung zu gewährleisten. Die Implikation dieser Technik erstreckt sich auch auf die Nervenanastomosenchirurgie, da der weiche Robotergreifer eine feine Nervenmanipulation ermöglicht, ohne dass es zu einer Überlastung kommt. Die Idee zu diesem Verfahren hatten wir, als wir Schwierigkeiten hatten, einen funktionsfähigen weichen Greifer mit dem herkömmlichen Gussversiegelungsverfahren zu entwickeln und in der Gießphase mit dünnen Stäben zu experimentieren begannen.
Beginnen Sie damit, eine gleiche Masse der beiden Komponentenmaterialien für das Elastomer in einem Mischgefäß abzuwiegen. Decken Sie dann den Behälter ab und laden Sie ihn zusammen mit einer Ausgleichsmasse in einen Zentrifugalmischer. Führen Sie nun einen 30-Sekunden-Mischzyklus durch, wobei die Mischphase bei 2000 U/min und die Entlüftungsphase bei 2200 U/min durchgeführt wird.
Erwarten Sie, dass die gründlich gemischten Komponenten nun beim Formen gleichmäßig aushärten. Beachten Sie, dass das Design und die Herstellung der Formen im Textprotokoll behandelt werden und sich der nächste Abschnitt mit ihrer Verwendung befasst. Dieser Prozess beginnt mit dem Formen der Greifarmkomponenten.
Setzen Sie zunächst die beiden 3D-gedruckten Kammerblöcke in die linke und rechte Seite des Kammerbauteils ein, um eine geschlossene Kammer mit daran angeschlossenen pneumatischen Kanälen zu erzeugen. Führen Sie als Nächstes ein oder zwei Titanwalzdraht mit einem Durchmesser von 1,5 Millimetern durch die Kammer, je nachdem, ob es sich um ein Ein- oder Zweikanalmodell handelt. Lassen Sie einen Abstand von zwei Millimetern zwischen der Greiferspitze und der Stange, um die pneumatischen Kanäle zu erzeugen.
Beladen Sie nun die Form vollständig mit der Elastomermischung und stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen darin eingeschlossen sind. Härten Sie die Form dann 10 Minuten lang bei 60 Grad Celsius aus. Der nächste Schritt besteht darin, die Walzdraht und die beiden Kammerblöcke aus der Form zu ziehen.
Stellen Sie sicher, dass die Verbindung zwischen den pneumatischen Kanälen und der Kammer gut hergestellt ist, da dies die Kompression der Kammer ermöglicht, um die Greifarme zu betätigen. Platzieren Sie nun den 3D-gedruckten Greiferblock auf der Greiferkomponente, um die Kammer zu erstellen. Führen Sie zuerst die Walzdraht ein, um die Löcher in der Wand der Form zu verstopfen.
Füllen Sie dann die Form mit der Elastomermischung und stellen Sie sicher, dass keine sichtbaren Luftblasen in der Form eingeschlossen sind. Härten Sie diese Form ebenfalls 10 Minuten lang bei 60 Grad Celsius aus. Entformen Sie anschließend die ausgehärteten Komponenten, um die Greiferkammerstruktur zusammenzubauen.
Der letzte Schritt besteht darin, das geschlossene Kammerbauteil mit Luft zu füllen. Stellen Sie dazu die 2,5 Millimeter dicke Dichtungsschicht her, die die Montage abschließt. Füllen Sie die Form mit der Elastomermischung und härten Sie sie bei 60 Grad Celsius 10 Minuten lang aus.
Nach dem Aushärten wird eine Schicht Elastomermaterial auf die ausgehärtete 2,5 Millimeter dicke Dichtungsschicht aufgetragen. Platzieren Sie dann die Greiferkammerstruktur auf der Dichtungsschicht und lassen Sie die Verbindung bilden, um sicherzustellen, dass die Dichtung perfekt ist, so dass eine luftgefüllte Kammer entsteht. Härten Sie nun die gesamte Struktur weitere 15 Minuten bei 60 Grad Celsius aus.
Entfernen Sie dann die restliche Form, um das Gerät zu vervollständigen. Das Handhabungswerkzeug ist ebenfalls aus einer Form gefertigt und die Details sind im Textprotokoll enthalten. Setzen Sie den Greifer in das Handhabungswerkzeug ein und decken Sie den Öffnungsbereich mit einer abnehmbaren rechteckigen Kappe ab.
Setzen Sie dann einen beweglichen Kolben ein, um die Kompression der Kammer zu erleichtern, was ein manuelles Werkzeug vervollständigt. Alternativ können Sie den Greifer und einen Linearantrieb in ein Roboter-Handhabungswerkzeug einsetzen. Decken Sie in diesem Fall den Öffnungsbereich mit einer beweglichen rechteckigen Kappe ab.
Um die Funktionalität des weichen Greifers zu bewerten, testen Sie ihn mit einem Überbrückungsdraht. Stellen Sie den Greifer so ein, dass sich der Draht zwischen den beiden Armen befindet. Bewegen Sie dann den Kolben, um die Kammer zusammenzudrücken, die die Greifarme betätigt, um den Draht zu halten.
Halten und bewegen Sie den Draht mindestens 20 Zentimeter von der ursprünglichen Position des Drahtes entfernt. Die vorgeschlagene Technik zeigt, wie schnell kostengünstige weiche pneumatische Greifer hergestellt werden können. Durch einfaches Ändern des Werkzeugdesigns und die Verwendung desselben Elastomers können Greifer für verschiedene Anwendungen hergestellt werden.
Die hier vorgestellte Konstruktion ist in der Lage, Objekte mit Abmessungen von bis zu 1,2 Millimetern Durchmesser aufzunehmen. In einer simulierten Operation betrug die maximale Druckkraft, die durch den einfach betätigbaren Armgriff erzeugt wurde, etwa 0,27 Newton. Die doppelt betätigbaren Armgeräte maßen etwa 0,8 Newton.
ImVergleich dazu hatten Pinzetten mit und ohne Elastomer Greifkräfte von etwa 1,7 bzw. 2,6 Newton. Einmal gemeistert, kann diese Technik in einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es ebenso wichtig, daran zu denken, die Stäbe vor dem Gießen fest auszurichten und die endgültige Versiegelung sorgfältig durchzuführen.
Nach diesem Verfahren kann der fertige weiche Greifer an einem Kolbenboden- oder Linearantriebsboden-Handhabungswerkzeug befestigt werden, um eine intuitive Steuerung des Greifens zu ermöglichen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der weichen Robotik, um das Design von Kammergreifern für die Manipulation empfindlicher Objekte zu erforschen. Vergessen Sie nicht, dass Silikonkautschuk eine Gefahr beim Verschlucken darstellen kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Handschuhen getroffen werden sollten.
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Übersicht
Dieses Protokoll beschreibt einen stabbasierten Ansatz zur Herstellung weicher Greifvorrichtungen unter Verwendung von 3D-Druck- und Soft-Lithographie-Techniken. Diese Methode behebt wesentliche Herstellungsherausforderungen, wie Kanalverschlüsse und die Notwendigkeit einer externen Luftquelle.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Weiche Robotik
- Biomedizinische Technik
Hintergrund
- Weiche Greifer sind für schonende Manipulationen bei chirurgischen Eingriffen unerlässlich.
- Konventionelle Methoden stehen vor Herausforderungen wie der Verdeckung während des Versiegelns.
- Die Miniaturisierung pneumatischer Kanäle ist entscheidend für eine effektive Aktuierung.
- Diese Studie untersucht innovative Fertigungstechniken, um diese Herausforderungen zu bewältigen.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Herstellung von weichen Greifvorrichtungen.
- Verbesserung der Funktionalität weicher Greifer in der Nerven-Anastomose-Chirurgie.
- Minimierung des Schädigungsrisikos bei empfindlichen Nervenmanipulationen.
Verwendete Methoden
- Stab-basierter Ansatz zur Geräteherstellung.
- Kombination von 3D-Druck und Weichlithografie-Techniken.
- Einbindung einer Luftkammer, um den Bedarf an einer externen Luftquelle zu eliminieren.
- Schwerpunkt auf miniaturisierten pneumatischen Kanälen für eine gleichmäßige Aktuierung.
Hauptergebnisse
- Die neue Methode reduziert erfolgreich die Kanalverstopfung.
- Weiche Greifer zeigten eine verbesserte Leistung bei der Nervenmanipulation.
- Miniaturisierte Kanäle ermöglichten eine präzisere Aktuierung.
- Der Ansatz zeigt Potenzial für weiterreichende Anwendungen in der weichen Robotik.
Schlussfolgerungen
- Dieses Protokoll bietet eine neuartige Lösung für die Herstellung weicher Greifer.
- Es behebt wesentliche Herausforderungen auf dem Gebiet der weichen Robotik.
- Die Technik könnte Auswirkungen auf chirurgische Anwendungen haben.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Weiche robotische Greifer erfüllen die wichtige Anforderung nach präziser, schonender Gewebemanipulation mit geringen Kräften in der präklinischen und translationellen Forschung und verringern so das Risiko einer Probenschädigung während empfindlicher biologischer Assays. Diese auf Stäben basierende Herstellungsmethode ermöglicht ein schnelles und kostengünstiges Prototyping anpassbarer pneumatischer Aktuatoren und unterstützt damit einen iterativen Entwicklungsprozess in Workflows zur frühen Zielvalidierung und phänotypischen Bildschirmierung. Durch die Vermeidung von Kanalverschlüssen und die Unabhängigkeit von externen Luftquellen verbessert die Methode die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit in industriellen F&E-Umgebungen, die sich auf Mechanobiologie- und Arzneimitteldelivery-Studien konzentrieren.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die funktionelle Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch kontrollierte, mechanische Stimulation mit geringer Kraft auf empfindliche Gewebe oder Organoide.
- Operativer Wert: Unterstützt das schnelle Prototyping maßgeschneiderter Greifergeometrien, um unterschiedlichen Größen und Zerbrechlichkeitsprofilen biologischer Proben gerecht zu werden.
- Prädiktiver Wert: Verringert falsch-negative Ergebnisse bei der Zielvalidierung, indem artefaktuelle Gewebeschäden während der Probennahme minimiert werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Nutzen: Bietet standardisierte, aktuierbare Schnittstellen zur Positionierung mikroskaliger Biosensoren oder Sonden in Formaten mit hohem Durchsatz.
- Operativer Nutzen: Gewährleistet eine gleichmäßige pneumatische Aktuierung über miniaturisierte Kanäle und verringert so die Variabilität der Messergebnisse bei der Wirkstoffscreening.
- Skalierbarkeit: Ermöglicht die parallele Assay-Entwicklung durch formbasierte Replikation von Greifervorrichtungen auf Multi-Well-Plattformen.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Kontinuität: Verbindet die mechanische Phänotypisierung in der Entdeckungsphase mit präklinischen Modellen, die eine präzise Gewebemanipulation erfordern, wie beispielsweise Nervenanastomosen oder vaskuläre Untersuchungen.
- Mechanistische Risikominimierung: Ermöglicht die Bewertung der Wirkung von Substanzen auf die Gewebeintegrität unter kontrollierten biomechanischen Belastungen und verbessert so die Vorhersagekraft bei der Optimierung von Wirkstoffen.
- Krankheitsrelevante Systeme: Unterstützt die Entwicklung physiologisch relevanter ex-vivo-Modelle, bei denen schonende Handhabung die native Gewebearchitektur und -funktion erhält.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess, indem sie eine zuverlässige Probenvorbereitung für nachgeschaltete Analysen ermöglicht – von frühen Target-Engagement-Assays bis hin zu präklinischen Wirksamkeitsstudien, die schonenden Umgang mit Gewebe erfordern.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung durch präzise mechanische Störung biologischer Systeme, ohne störende Schadensantworten auszulösen.
- Screening: Verbessert die Bereitschaft von Assays durch reproduzierbare, verstopfungsfreie pneumatische Aktuierung für eine konsistente Probeneinpositionierung in automatisierten Arbeitsabläufen.
- Analytik: Ermöglicht quantitative Kraft- und Weg-Messwerte, die mit der Gewebeantwort korrelieren, und unterstützt datenbasierte Go/No-Go-Entscheidungen.
- Translationale Forschung: Verbindet frühes mechanisches Phänotypisieren mit präklinischer Validierung, indem die Gewebevitalität während der Handhabungsschritte erhalten bleibt.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Positioniert das Herstellungsprotokoll als wiederverwendbare Plattformtechnologie, die an mehrere Projekte und therapeutische Bereiche angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verbessert das Vertrauen in die Zielvalidierung, indem mechanische Artefakte bei empfindlichen Gewebetests reduziert werden.
- Operationaler Wert: Steigert Durchsatz und Reproduzierbarkeit durch standardisierte, formbasierte Herstellung und den Verzicht auf externe Gasversorgung.
- Strategischer Wert: Senkt die Kosten für Prototypen und beschleunigt Designiterationen bei kundenspezifischen Manipulatoren in frühen Projektphasen.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem die Probenechtheit in mechanistischen und phänotypischen Screening-Phasen gewährleistet bleibt.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der weichen Lithografie, im 3D-Druck und im Umgang mit Elastomeren für die Herstellung und Aushärtung von Formen.
- Benötigt Zugang zu Zentrifugalmischern, Präzisionsformen und thermischen Aushärtungsgeräten bei 60 °C.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über Teams hinweg bei der Ausrichtung der Stäbe und den Versiegelungsprotokollen voraus, um die Integrität der Kammer und eine gleichmäßige Aktuierung sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen beim Hochskalieren der Anzahl der Greifarmen oder der Kanalgeometrie für verschiedene Gewebetypen oder Probengrößen.
- Umfasst praktische Einschränkungen wie die Empfindlichkeit gegenüber manueller Ausrichtung und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Entformung, um Schäden an den Kanälen zu vermeiden.
