Fabrication à base de Rod personnalisables souples Robotic pneumatiques Dispositifs Gripper pour la manipulation des tissus Délicat
2 août 2016
Ce protocole décrit une approche basée sur des tiges, combinant des techniques d’impression 3D et de lithographie douce pour fabriquer les dispositifs de préhension souple. Cette approche élimine le besoin d’une source d’air externe en incorporant un composant de chambre et réduit le risque d’occlusion pendant le processus d’étanchéité, en particulier pour les canaux pneumatiques miniaturisés.
L’objectif global de cette procédure est de fabriquer des dispositifs de préhension souples en utilisant une approche basée sur des tiges. Combiné avec l’impression 3D et les techniques de lithographie douce. Cette méthode peut aider à résoudre les principaux problèmes rencontrés dans la fabrication de pinces pneumatiques souples, tels que l’occlusion de canal pendant le processus de prise et l’incorporation d’une chambre à air.
Le principal avantage de cette technique est qu’elle nous permet de construire des canaux pneumatiques miniaturisés à l’intérieur des structures de préhension souples pour assurer un actionnement cohérent. L’implication de cette technique s’étend à ce qu’est la chirurgie d’anastomose nerveuse, car la pince robotique souple permet une manipulation nerveuse délicate sans dommages excessifs. Nous avons eu l’idée de cette méthode pour la première fois lorsque nous avons rencontré des difficultés pour développer une pince souple fonctionnelle en utilisant le processus de scellement de coulée conventionnel et avons commencé à expérimenter avec des tiges minces dans la phase de coulée.
Commencez par peser une masse égale des deux matériaux constitutifs de l’élastomère dans un récipient de mélange. Ensuite, couvrez le récipient et chargez-le dans un mélangeur centrifuge avec une masse d’équilibrage. Maintenant, exécutez un cycle de mélange de 30 secondes avec la phase de mélange à 2000 tr/min et la phase de désaération à 2200 tr/min.
Attendez-vous à ce que les composants soigneusement mélangés durcissent uniformément lorsqu’ils sont moulés. Notez que la conception et la production des moules sont couvertes dans le protocole de texte et que la section suivante traite de leur utilisation. Ce processus commence par le moulage des composants du bras de préhension.
Tout d’abord, insérez les deux blocs de chambre imprimés en 3D dans les côtés gauche et droit du composant de la chambre pour générer une chambre scellée avec des canaux pneumatiques qui y sont connectés. Ensuite, insérez un ou deux fils machine en titane de 1,5 millimètre de diamètre dans la chambre, selon qu’il s’agit d’un modèle à un ou deux canaux. Laissez une distance de deux millimètres entre la pointe de la pince et la tige pour créer les canaux pneumatiques.
Maintenant, chargez complètement le moule avec le mélange d’élastomère, en vous assurant qu’aucune bulle d’air n’est piégée à l’intérieur. Ensuite, durcissez le moule à 60 degrés Celsius pendant 10 minutes. L’étape suivante consiste à retirer les fils machine et les deux blocs de chambre du moule.
Assurez-vous que la connexion entre les canaux pneumatiques et la chambre est bien établie, car cela permet à la compression de la chambre d’actionner les bras de préhension. Maintenant, procédez à la mise en place du bloc de préhension imprimé en 3D sur le composant de préhension afin de créer la chambre. Tout d’abord, insérez les tiges de fil pour boucher les trous dans la paroi du moule.
Ensuite, remplissez le moule avec le mélange d’élastomère et assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air visibles piégées dans le moule. Durcissez également ce moule pendant 10 minutes à 60 degrés Celsius. Ensuite, démoulez les composants durcis pour assembler la structure de la chambre de préhension.
La dernière étape consiste à remplir d’air le composant de la chambre scellée. Pour ce faire, réalisez la couche d’étanchéité de 2,5 millimètres qui complète l’assemblage. Remplissez le moule avec le mélange d’élastomère et faites-le durcir à 60 degrés Celsius pendant 10 minutes.
Une fois durci, badigeonnez une couche de matériau élastomère sur la couche d’étanchéité durcie de 2,5 millimètres. Ensuite, placez la structure de la chambre de préhension sur la couche d’étanchéité et laissez la liaison se former, en vous assurant que l’étanchéité est parfaite, ce qui permet de créer une chambre remplie d’air. Maintenant, durcissez toute la structure pendant encore 15 minutes à 60 degrés Celsius.
Retirez ensuite le moule restant pour terminer l’appareil. L’outil de manipulation est également fabriqué à partir d’un moule et les détails sont dans le protocole texte. Insérez la pince dans l’outil de manutention et couvrez la zone d’ouverture avec un capuchon rectangulaire amovible.
Ensuite, insérez un piston mobile pour faciliter la compression de la chambre qui complète un outil manuel. Vous pouvez également insérer le préhenseur et un actionneur linéaire dans un outil de manutention robotisé. Dans ce cas, couvrez la zone d’ouverture avec un capuchon rectangulaire mobile.
Pour évaluer la fonctionnalité de la pince souple, testez-la avec un fil de liaison. Ajustez la pince de manière à ce que le fil soit entre les deux bras. Ensuite, déplacez le piston pour comprimer la chambre qui actionne les bras de préhension pour maintenir le fil.
Tenez et déplacez le fil à au moins 20 centimètres de l’emplacement d’origine du fil. La technique proposée montre comment fabriquer rapidement des pinces pneumatiques souples à faible coût. Il suffit de changer la conception du moule et d’utiliser le même élastomère pour fabriquer des pinces pour différentes applications.
Le design présenté ici est capable de saisir des objets d’un diamètre allant jusqu’à 1,2 millimètre. Dans une simulation chirurgicale, la force de compression maximale générée par la poignée de bras actionnable unique était d’environ 0,27 Newtons. Les dispositifs à double bras actionnable mesuraient environ 0,8 Newtons.
Comparativement, les forceps avec et sans élastomère avaient des forces de préhension d’environ 1,7 et 2,6 Newtons respectivement. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en une heure si elle est exécutée correctement. Lors de cette procédure, il est tout aussi important de se rappeler d’aligner fermement les tiges avant de couler et d’effectuer le scellement final avec soin.
À la suite de cette procédure, la pince souple terminée peut être fixée sur une base de piston ou un outil de manipulation de base d’actionneur linéaire pour permettre un contrôle intuitif de la préhension. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la robotique douce pour explorer la conception de dispositifs de préhension de chambre pour la manipulation d’objets délicats. N’oubliez pas que le caoutchouc de silicone peut présenter un risque d’ingestion et que des précautions telles que le port de gants doivent toujours être prises lors de cette procédure.
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Aperçu
Ce protocole décrit une méthode basée sur des tiges pour la fabrication de dispositifs de préhension souples en utilisant des techniques d'impression 3D et de lithographie douce. Cette méthode répond à des défis clés de fabrication, tels que l'occlusion des canaux et la nécessité d'une source d'air externe.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Robotique souple
- Génie biomédical
Contexte
- Les pinces souples sont essentielles pour les manipulations délicates lors des interventions chirurgicales.
- Les méthodes conventionnelles rencontrent des difficultés telles que l'occlusion pendant l'étanchéification.
- La miniaturisation des canaux pneumatiques est cruciale pour une activation efficace.
- Cette étude explore des techniques de fabrication innovantes afin de surmonter ces difficultés.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode fiable pour la fabrication de dispositifs de préhension souples.
- Améliorer la fonctionnalité des pinces souples en chirurgie d'anastomose nerveuse.
- Minimiser le risque de lésion lors de manipulations nerveuses délicates.
Méthodes utilisées
- Approche basée sur des tiges pour la fabrication du dispositif.
- Combinaison de techniques d'impression 3D et de lithographie souple.
- Incorporation d'une chambre à air pour éliminer le besoin d'une source d'air externe.
- Accent mis sur des canaux pneumatiques miniaturisés pour une activation constante.
Résultats principaux
- La nouvelle méthode réduit efficacement l'occlusion des canaux.
- Les pinces souples ont démontré une performance améliorée dans la manipulation des nerfs.
- Des canaux miniaturisés ont permis une activation plus précise.
- L'approche montre un potentiel pour des applications plus larges en robotique souple.
Conclusions
- Ce protocole propose une solution innovante pour la fabrication de pinces souples.
- Il répond à des défis importants dans le domaine de la robotique souple.
- La technique présente des implications potentielles pour les applications chirurgicales.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Les pinces robotiques souples répondent au besoin critique de manipulation précise des tissus avec des forces faibles dans la recherche préclinique et translationnelle, réduisant ainsi le risque d'endommagement des échantillons lors d'essais biologiques délicats. Cette méthode de fabrication basée sur des tiges permet un prototypage rapide et peu coûteux d'actionneurs pneumatiques personnalisables, soutenant une conception itérative dans les flux de travail de validation précoce de cibles et de criblage phénotypique. En éliminant l'occlusion des canaux et la dépendance à des sources d'air externes, cette technique améliore la reproductibilité et l'évolutivité pour les environnements de recherche et développement axés sur les études de mécanobiologie et de délivrance de médicaments.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation fonctionnelle d'hypothèses thérapeutiques grâce à une stimulation mécanique contrôlée et à faible force appliquée à des tissus ou organoïdes délicats.
- Valeur opérationnelle : Facilite la conception rapide de géométries personnalisées de pinces adaptées à la diversité des tailles d'échantillons biologiques et de leurs profils de fragilité.
- Valeur prédictive : Réduit les résultats faussement négatifs lors de la validation de cibles en minimisant les dommages artéfactuels aux tissus pendant la manipulation des échantillons.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Fournit des interfaces normalisées et actionnables pour positionner des biocapteurs ou des sondes à l'échelle microscopique dans des formats de criblage à haut débit.
- Valeur opérationnelle : Assure un actionnement pneumatique constant grâce à des canaux miniaturisés, réduisant ainsi la variabilité des résultats de criblage de composés.
- Extensibilité : Facilite le développement d'essais parallèles par réplication basée sur un moule des dispositifs de préhension sur des plates-formes multi-puits.
Recherche translationnelle et préclinique
- Continuité translationnelle : Fait le lien entre le phénotypage mécanique en phase de découverte et les modèles précliniques nécessitant une manipulation tissulaire précise, tels que l’anastomose nerveuse ou les études vasculaires.
- Réduction des risques mécanistiques : Permet d’évaluer les effets de composés sur l’intégrité tissulaire sous contrainte biomécanique contrôlée, améliorant ainsi la fiabilité prédictive lors de l’optimisation des candidats médicaments.
- Système pertinent pour la maladie : Facilite le développement de modèles ex vivo physiologiquement pertinents, où une manipulation douce préserve l’architecture et la fonction tissulaires natives.
Intégration du pipeline et du flux de travail
Cette méthode s'intègre dans le continuum de la découverte en permettant une préparation fiable des échantillons pour les analyses en aval, depuis les dosages précoces d'interaction avec la cible jusqu'aux études précliniques d'efficacité nécessitant une manipulation délicate des tissus.
- Biologie de la découverte : Permet la vérification d'hypothèses grâce à une perturbation mécanique précise des systèmes biologiques, sans induire de réponses lésionnelles interférantes.
- Triage : Améliore la préparation des tests grâce à une activation pneumatique reproductible et sans obstruction, assurant un positionnement constant des échantillons dans les flux automatisés.
- Analytique : Fournit des mesures quantitatives de force et de déplacement corrélées à la réponse des tissus, facilitant des décisions fondées sur les données (go/no-go).
- Recherche translationnelle : Relie le phénotypage mécanique précoce à la validation préclinique en préservant la viabilité des tissus durant les étapes de manipulation.
- Réutilisation en entreprise : Présente le protocole de fabrication comme une technologie de plateforme réutilisable, adaptable à plusieurs projets et domaines thérapeutiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Améliore la confiance dans la validation des cibles en réduisant les artefacts mécaniques dans les essais sur tissus délicats.
- Valeur opérationnelle : Augmente le débit et la reproductibilité grâce à une fabrication standardisée par moulage et à l'élimination de la manipulation externe des gaz.
- Valeur stratégique : Réduit les coûts de prototypage et accélère les itérations de conception pour des manipulateurs personnalisés dans les projets en phase précoce.
- Impact sur le portefeuille : Permet une avancée ajustée au risque en garantissant l'intégrité des échantillons lors des étapes de criblage mécanistique et phénotypique.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en lithographie douce, impression 3D et manipulation d'élastomères pour la préparation des moules et le durcissement.
- Suppose l'accès à des mélangeurs centrifuges, des moules de précision et un équipement de durcissement thermique à 60 °C.
- Exige une standardisation interéquipes des protocoles d'alignement et de scellement des tiges afin de garantir l'intégrité de la chambre et une activation uniforme.
- Implique des ajustements à prévoir lors de la variation du nombre de bras du préhenseur ou de la géométrie des canaux selon les types de tissus ou les dimensions des échantillons.
- Comprend des limites pratiques telles que la sensibilité liée à l'alignement manuel et la nécessité d'un démoulage soigneux pour éviter d'endommager les canaux.
