Conception et fabrication d'une unité élastomère pour Soft robots modulaires en chirurgie mini-invasive

L'objectif général de ce protocole est de fabriquer une unité souple destinée à être intégrée dans un manipulateur multimodal pour une utilisation en chirurgie mini-invasive. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la robotique souple en montrant comment optimiser le procédé de fabrication d’un manipulateur souple offrant une grande dextérité et des capacités de rigidification. Le principal avantage de cette technique est qu’elle est très rapide et peu coûteuse.

En outre, le produit final peut être reproduit afin de produire une architecture multimodale améliorant les performances du manipulateur. Généralement, les personnes novices dans cette méthode éprouveront des difficultés, car les modules en silicone aux formes complexes nécessitent habituellement une procédure de fabrication en plusieurs étapes, dont l'optimisation est souvent longue. Une démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car les étapes de fabrication impliquant un décalage externe sont difficiles à apprendre, étant donné qu'elles reposent sur un décalage lumineux commercial entièrement modifié pour répondre au besoin final.

La procédure sera démontrée par Jada Bon, étudiante au doctorat, et Margarita Blanco, assistante de recherche de mon laboratoire. Ajoutez 12 grammes de la partie A et 12 grammes de la partie B dans la même boîte de Pétri et mélangez-les pour préparer le silicone. Ensuite, placez le mélange de silicone dans des DGAs sous une pression de vide d'une barre.

Conserver le matériau sous vide jusqu'à ce que toutes les bulles aient été éliminées du matériau en silicone. Cela prend généralement environ 10 minutes. Une fois que les matériaux sont complètement débarrassés des bulles, relâcher le vide et retirer le silicone, qui est désormais prêt à l'emploi. Assembler le moule en insérant d'abord le cylindre de rigidification et le haut des chambres dans le bouchon A, puis en fermant les coques autour de celui-ci.

Verser le silicone à l’intérieur du moule assemblé jusqu’au bord des coques. Régler le four à une température de 60 degrés Celsius et placer le moule rempli dans le four. Laisser le silicone durcir pendant environ 30 minutes.

Retirer les enveloppes extérieures et le capuchon A du silicone durci. Ensuite, insérer les modules en silicone à partir de la base des chambres et du cylindre de rigidification à l'intérieur du capuchon B. Refermer les enveloppes autour du module en les faisant glisser de 10 millimètres vers le haut, de manière à obtenir un espace de 10 millimètres entre la surface supérieure du module et les bords des enveloppes. Verser du silicone supplémentaire à l'intérieur du moule réarrangé jusqu'au bord des enveloppes sur le côté supérieur.

Chauffer le silicone fraîchement versé dans un four à 60 degrés Celsius pendant environ 30 minutes. Retirer le capot externe B et toutes les chambres sauf le cylindre de rigidification. Couper des tubes en silicone de trois millimètres de diamètre sur une longueur d'environ 30 centimètres.

Mettre de la colle en silicone autour de l'extérieur de l'une des extrémités de chaque tube sur les premiers 10 millimètres. Ensuite, insérer les tubes dans les canaux dédiés de deux millimètres dans l'unité en silicone.

Laisser durcir la colle pendant 12 minutes. À température ambiante, couper 70 centimètres d'une gaine tressée extensible, puis insérer un cylindre métallique de 25 centimètres de long et de 3 centimètres de diamètre à l'intérieur de la gaine. Ensuite, pousser vers le bas et forcer la gaine sur le cylindre afin de créer des ondulations.

Mécaniquement, fixer la gaine en place à l’aide d’un serre-joint et la chauffer avec un pistolet thermique à 350 degrés Celsius pendant deux à trois minutes. Afin d’obtenir une déformation permanente, laisser refroidir la gaine à température ambiante, puis retirer le cylindre interne. Faire passer les tubes de l’unité en silicone à travers les trous du capuchon C. Verser ensuite trois grammes de silicone DGA dans le capuchon C et insérer la face inférieure du module fabriqué précédemment dans le capuchon C. Glisser la gaine sertie autour du module, pousser les premiers sertissages à l’intérieur du capuchon C et les plonger dans le silicone fraîchement versé.

Régler le four à une température de 60 degrés Celsius et placer l'échantillon pendant environ 20 minutes. Une fois que le silicone est polymérisé, répéter le même processus sur l'autre face en utilisant le bouchon D pour fixer la gaine sur le côté supérieur. Une fois que le silicone est également polymérisé sur le côté supérieur, retirer les bouchons C et D respectivement du bas et du haut du module.

Enfin, retirez le cylindre de rigidification de l'ensemble de l'unité en silicone. Versez quelques grammes de latex liquide dans un verre en plastique et immergez-y le cylindre destiné à la membrane dans le latex liquide jusqu'à ce que la surface soit entièrement recouverte. Retirez-le ensuite du latex et laissez la membrane sécher sous la hotte pendant 20 minutes.

Ensuite, former une deuxième couche en immergeant à nouveau dans le latex et en laissant sécher pendant 20 minutes supplémentaires. Une fois sec, retirer la membrane du moule. Couper un tube de deux millimètres de diamètre sur une longueur de 30 centimètres.

Ensuite, prenez un morceau de tissu en nylon de 10 millimètres sur 10 millimètres et fermez une extrémité du tube avec ce tissu à l’aide de colle superglue. Puis, pesez environ quatre grammes de café en grains broyés et remplissez autant que possible la membrane avec la poudre. Insérez l’extrémité filtrante du tube à l’intérieur de la membrane remplie et fixez-la autour du tube.

À l’aide d’un film plastique, appliquez un vide sur l’autre face du tube afin de rigidifier la membrane, puis insérez la membrane à l’intérieur du canal central vide du module en silicone. Ensuite, collez les extrémités de la membrane de rigidification au module en silicone. Fermez l’anneau autour de la face inférieure du module.

Verser du silicone frais dans l'anneau afin de niveler la surface, puis laisser sécher le silicone sous une hotte. Enfin, retirer les anneaux et répéter la procédure pour le côté supérieur du module. Lorsque les trois chambres sont actionnées simultanément avec la même pression, le module s'allonge : partant d'une longueur de 50 millimètres à zéro bar, il atteint 83,3 millimètres avec une pression de 0,65 bar, ce qui correspond à un allongement de 33,3 millimètres, soit environ 66 %. L'utilisation d'une seule ou de deux chambres provoquera une courbure du dispositif.

Le module est capable de se plier jusqu'à 120 degrés dans le cas d'un pliage à une chambre et jusqu'à 80 degrés pour un pliage à deux chambres. Dans les deux cas, un fléchissement significatif commence lorsque les chambres sont gonflées à environ 0,3 bar. Le module est capable de générer des forces allant de 24,1 newtons lorsqu'une chambre est actionnée jusqu'à 47,1 newtons lorsque trois chambres sont gonflées.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quatre heures si elle est correctement exécutée. Cette technique ouvre la voie aux chercheurs du domaine de la robotique souple pour explorer la combinaison entre les technologies fluidiques, d'actionnement et de rigidité variable appliquées à des structures souples. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de gérer le moulage de matériaux souples et d'intégrer des calculateurs 3D flexibles à un mécanisme de rigidité variable.

N'oubliez pas que travailler avec du silicone peut être vraiment dangereux lorsqu'on est allergique au latex ; des précautions, telles que travailler sous hotte aspirante et porter des gants, doivent toujours être prises lors de la réalisation de cette procédure.