עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

המטרה הכללית של פרוטוקול זה היא לייצר יחידה רכה שתשולב במניפולטור רב-מצב (multimodal) לשימוש בניתוחים פולשניים מזעריים. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הרובוטיקה הרכה על ידי הדגמה כיצד למטב את הליך הייצור של מניפולטור רך בעל זריזות גבוהה ויכולות הקשחה. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהיא מהירה מאוד ובעלת עלות נמוכה.

בנוסף, ניתן לשכפל את המוצר הסופי כדי ליצור ארכיטקטורה רב-מודלית המשפרת את ביצועי המניפולטור. באופן כללי, אנשים שאינם בקיאים בשיטה זו ייתקלו בקשיים, מכיוון שמודולי סיליקון בעלי צורות מורכבות דורשים בדרך כלל הליך יציקה רב-שלבי, שבו האופטימיזציה גוזלת לעיתים קרובות זמן רב. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, שכן שלבי הייצור של התבנית החיצונית קשים ללמידה מכיוון שהם מבוססים על תבנית מסחרית שעברה שינוי מוחלט לצורך המטרה הסופית.

את הפרוצדורה ידגימו ג'יידה בון (Jada Bon), סטודנטית לדוקטורט, ומרגריטה בלאנקו (Margarita Blanco), עוזרת מחקר מהמעבדה שלי. הוסיפו 12 גרם מחלק A ו-12 גרם מחלק B לאותה צלחת פטרי וערבבו אותם יחד כדי להכין את הסיליקון. לאחר מכן, הניחו את הסיליקון המעורבב ב-DGAs תחת לחץ ואקום של one bar.

יש לשמור על החומר תחת ואקום עד להסרה של כל הבועות מחומר הסיליקון. תהליך זה אורך בדרך כלל כ-10 דקות. ברגע שהחומרים נקיים לחלוטין מבועות, יש לשחרר את הוואקום ולהוציא את הסיליקון, שמוכן כעת לשימוש. יש להרכיב את התבנית על ידי הכנסת גליל הקשיחה והחלק העליון של התאים לתוך מכסה A, ולאחר מכן סגירת המעטפות סביבם.

שפכו את הסיליקון לתוך התבנית המורכבת עד לקצוות הקליפות. הגדירו את התנור לטמפרטורה של 60 °C והכניסו את התבנית המלאה לתנור. השאירו את הסיליקון להתקשות למשך כ-30 דקות.

הסר את המעטפות החיצוניות ואת מכסה A מהסיליקון שהתקשה. לאחר מכן, הכנס את מודולי הסיליקון מבסיס התאים ואת גליל ההקשחה לתוך מכסה B. סגור שוב את המעטפות סביב המודול, והזז אותן 10 millimeters כלפי מעלה כדי ליצור מרווח של 10 millimeters בין המשטח העליון של המודול לבין קצוות המעטפות. שפוך סיליקון נוסף לתוך התבנית המסודרת מחדש עד לקצה המעטפות בצד העליון.

הקשה את הסיליקון שנשפך זה עתה בתנור בטמפרטורה של 60 °C למשך כ-30 דקות. הסר את מכסה המעטפת החיצונית B ואת כל התאים למעט גליל ההקשיה. גזור צינורות סיליקון בעובי 3 מילימטר לאורך של כ-30 סנטימטרים.

מרחו דבק סיליקון מסביב לקצה החיצוני של כל צינור לאורך 10 המילימטרים הראשונים. לאחר מכן, הכניסו את הצינורות לתוך התעלות הייעודיות ברוחב שני מילימטרים ביחידת הסיליקון.

השאירו את הדבק להתייבש למשך 12 דקות. בטמפרטורת החדר, גזרו 70 סנטימטרים של מעטפת קלועה נמתחתת ולאחר מכן הכניסו לתוך המעטפת גליל מתכתי בעל קוטר של שלושה סנטימטרים ואורך של 25 סנטימטרים. לאחר מכן, לחצו בעוצמה את המעטפת על הגליל כדי ליצור כיווצים.

קבעו את המעטפת במקומה באופן מכני באמצעות קליבה וחממו אותה בעזרת אקדח חימום בטמפרטורה של 350 degrees Celsius למשך שתי עד שלוש דקות. כדי להשיג דפורמציה קבועה, המתינו שתיסביב המעטפת יתקרר לטמפרטורת החדר ולאחר מכן הוציאו את הגליל הפנימי. העבירו את הצינורות מיחידת הסיליקון דרך החורים של מכסה C. לאחר מכן, שפכו שלושה גרמים של סיליקון DGAs לתוך מכסה C והחליקו את הצד התחתון של המודול שיוצר קודם לכן לתוך מכסה C. החליקו את המעטפת המכווצת סביב המודול, דחפו את הכיווצים הראשונים לתוך מכסה C וטבלו אותם בסיליקון שנשפך זה עתה.

הגדירו את התנור לטמפרטורה של 60 °C והכניסו את הדגימה למשך כ-20 דקות. לאחר שהסיליקון התקשח, חזרו על אותו תהליך בצד השני תוך שימוש במכסה D כדי לקבע את המעטפת בחלק העליון. לאחר שהסיליקון התקשח גם בחלק העליון, הסירו את מכסה C ואת מכסה D מהחלק התחתון ומהחלק העליון של המודול בהתאמה.

לבסוף, הסירו את גליל הקשיח מיחידת הסיליקון השלמה. שפכו מספר גרמים של לטקס נוזלי לכוס פלסטיק והטבילו את הגליל עבור הממברנה בתוך הלטקס הנוזלי עד שהמשטח יהיה מכוסה לחלוטין. לאחר מכן, הוציאו אותו מהלטקס והניחו לממברנה להתייבש תחת המנדף במשך 20 דקות.

לאחר מכן, צרו שכבה שנייה על ידי טבילה חוזרת בלטקס והשארתו לייבוש למשך 20 דקות נוספות. לאחר הייבוש, הוציאו את הממברנה מהתבנית. חתכו צינור בקוטר שני מילימטרים לאורך של 30 סנטימטרים.

לאחר מכן, קחו פיסת רקמת ניילון בגודל 10 מילימטר על 10 מילימטר וסגרו קצה אחד של המבחנה באמצעות רקמה זו בעזרת דבק מהיר. בשלב הבא, שקלו כארבעה גרם של קפה גרגירי ומלאו את הממברנה באבקה ככל הניתן. הכניסו את הקצה המסונן של המבחנה לתוך הממברנה המלאה וקבעו אותה סביב המבחנה.

באמצעות סרט פלסטיק, הפעיל ואקום בצדו השני של הצינור כדי להקשיח את הממברנה, ולאחר מכן הכנס את הממברנה לתוך התעלה המרכזית הריקה של מודול הסיליקון. לאחר מכן, הדבק את קצות הממברנה המוקשחת למודול הסיליקון. סגור את הטבעת מסביב לצדו התחתון של המודול.

שפכו מעט סיליקון טרי לתוך הטבעת כדי להשקיא את הפני השטח והניחו לסיליקון להתייבש תחת מנדף. לבסוף, הסירו את הטבעות וחזרו על הפעולה עבור הצד העליון של המודול. כאשר כל שלושת התאים מופעלים בו-זמנית באותו לחץ, המודול מתארך; החל מאורך של 50 millimeters ב-0 bar, המודול מגיע ל-83.3 millimeters בלחץ של 0.65 bar, מה שמתאים להתארכות של 33.3 millimeters, שהם כ-66%. שימוש באחד או שניים בלבד מהתאים יגרום למערכת להתכופף.

המודול מסוגל להתכופף עד 120 מעלות במקרה של כיפוף תא אחד, ועד 80 מעלות במקרה של כיפוף שני תאים. בשני המקרים, כיפוף משמעותי מתחיל כאשר התאים מנופחים בערך ב-0.3 bar. המודול מסוגל להפעיל כוחות החל מ-24.1 Newtons כאשר תא אחד מופעל, ועד ל-47.1 newtons כאשר שלושה תאים מנופחים.

ברגע שהטכניקה נשלטת, ניתן לבצעה בארבע שעות אם היא מבוצעת כראוי. טכניקה זו סוללת את הדרך עבור חוקרים בתחום הרובוטיקה הרכה לחקור את השילוב בין טכנולוגיות של זרימה, הנעה וקשיחות משתנה למבנים רכים. לאחר צפייה בסרטון זה, תגמירו עם הבנה טובה של אופן ניהול תהליך היציקה של חומרים רכים וכיצד לשלב רכיבים גמישים בהדפסת תלת-ממד עם מנגנון בעל קשיחות משתנה.

אל תשכחו שעבודה עם סיליקון או לטקס עלולה להיות מסוכנת מאוד, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון עבודה תחת מנדף כימי וחבישת כפפות, בעת ביצוע הליך זה.