Progettazione e Realizzazione di un'unità elastomerico per soft robot modulari in Chirurgia Mini-Invasiva

L'obiettivo generale di questo protocollo è realizzare un'unità morbida da integrare in un manipolatore multimodale per l'uso in chirurgia mini-invasiva. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della robotica morbida, mostrando come ottimizzare la procedura di fabbricazione di un manipolatore morbido con elevate capacità di destrezza e di rigidificazione. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è molto rapida ed economica.

Inoltre, il prodotto finale può essere replicato per produrre un'architettura multimodale che migliori le prestazioni del manipolatore. In generale, le persone nuove rispetto a questo metodo incontreranno difficoltà poiché moduli in silicone con forme complesse richiedono solitamente una procedura di produzione in più fasi, in cui l'ottimizzazione richiede spesso molto tempo. Una dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, poiché i passaggi di fabbricazione relativi allo spostamento esterno sono difficili da apprendere in quanto si basano su uno spostamento luminoso commerciale che viene completamente modificato per lo scopo finale.

La procedura sarà dimostrata da Jada Bon, studentessa di dottorato, e da Margarita Blanco, assistente di ricerca del mio laboratorio. Aggiungere 12 grammi della parte A e 12 grammi della parte B nella stessa piastra di Petri e mescolarli per preparare la silicone. Successivamente, posizionare la silicone mescolata nelle DGAs sotto una pressione di vuoto di un bar.

Mantenere il materiale sotto vuoto fino a quando tutte le bolle non sono state rimosse dal materiale in silicone. Ciò richiede tipicamente circa 10 minuti; una volta che i materiali sono completamente privi di bolle, rilasciare il vuoto ed estrarre il silicone, che ora è pronto per l'uso. Assemblare lo stampo inserendo prima il cilindro di rinforzo e la parte superiore delle camere nel cappuccio A, quindi chiudendo le semigusci attorno ad esso.

Versare il silicone all'interno dello stampo assemblato fino al bordo delle calotte. Impostare il forno su una temperatura di 60 gradi Celsius e inserire lo stampo riempito nel forno. Lasciare polimerizzare il silicone per circa 30 minuti.

Rimuovere i gusci esterni e il cappuccio A dalla silicone indurita. Successivamente, inserire i moduli in silicone alla base delle camere e il cilindro di rinforzo all'interno del cappuccio B. Chiudere nuovamente i gusci intorno al modulo, facendoli scorrere verso l'alto di 10 millimetri in modo da ottenere un'intercapedine di 10 millimetri tra la superficie superiore del modulo e i bordi dei gusci. Versare ulteriore silicone all'interno dello stampo riorganizzato fino al bordo superiore dei gusci.

Polimerizzare il silicone appena versato in forno a 60 gradi Celsius per circa 30 minuti. Rimuovere il cappuccio esterno B e tutte le camere tranne il cilindro di irrigidimento. Tagliare tubi di silicone del diametro di tre millimetri a una lunghezza di circa 30 centimetri.

Mettere della colla di silicone all'esterno di un'estremità di ciascun tubo per i primi 10 millimetri. Inserire quindi i tubi all'interno dei canali dedicati di due millimetri nell'unità di silicone.

Lasciare indurire la colla per 12 minuti. A temperatura ambiente, tagliare 70 centimetri di guaina intrecciata espandibile e quindi inserire un cilindro metallico lungo 25 centimetri e con un diametro di tre centimetri all'interno della guaina. Successivamente, spingere verso il basso e forzare la guaina sul cilindro per creare delle piegature.

Meccanicamente, fissare il manicotto in posizione con una pinza e riscaldarlo con una pistola termica a 350 gradi Celsius per due o tre minuti. Per ottenere una deformazione permanente, lasciare raffreddare il manicotto a temperatura ambiente e quindi rimuovere il cilindro interno. Far passare i tubi dall'unità in silicone attraverso i fori del cappuccio C. Versare quindi tre grammi del silicone DGA nel cappuccio C e inserire il lato inferiore del modulo precedentemente fabbricato all'interno del cappuccio C. Far scorrere il manicotto a crimpare attorno al modulo e spingere i primi punti di crimpatura all'interno del cappuccio C, immergendoli nel silicone appena versato.

Impostare il forno a una temperatura di 60 gradi Celsius e inserire il campione per circa 20 minuti. Una volta che la silicone è indurita, ripetere lo stesso procedimento sull'altro lato utilizzando il tappo D per fissare la guaina sul lato superiore. Quando la silicone sarà indurita anche sul lato superiore, rimuovere sia il tappo C che il tappo D rispettivamente dal fondo e dalla parte superiore del modulo.

Infine, rimuovere il cilindro di rinforzo dall'intera unità in silicone. Versare alcuni grammi di lattice liquido in un bicchiere di plastica ed immergere il cilindro destinato alla membrana nel lattice liquido finché la superficie non sia completamente ricoperta. Successivamente, rimuoverlo dal lattice e lasciare asciugare la membrana sotto cappa per 20 minuti.

Formare quindi un secondo strato immergendolo nuovamente nel lattice e lasciandolo asciugare per altri 20 minuti. Una volta asciutto, rimuovere la membrana dallo stampo. Tagliare un tubo di due millimetri di diametro a una lunghezza di 30 centimetri.

Quindi prendere un pezzo di tessuto di nylon di 10 millimetri per 10 millimetri e chiudere un'estremità del tubo con questo tessuto utilizzando colla istantanea. Successivamente, pesare circa quattro grammi di caffè in granuli e riempire il più possibile la membrana con la polvere. Inserire l'estremità filtrante del tubo all'interno della membrana riempita e fissarla intorno al tubo.

Utilizzando un film di plastica, applicare il vuoto sul lato opposto del tubo per indurire la membrana, quindi inserire la membrana all'interno del canale centrale vuoto del modulo in silicone. Successivamente, incollare le estremità della membrana di rinforzo al modulo in silicone. Chiudere l'anello attorno al lato inferiore del modulo.

Versare della nuova silicone nell'anello al fine di livellare la superficie e lasciare asciugare la silicone sotto cappa. Infine, rimuovere gli anelli e ripetere la procedura per il lato superiore del modulo. Quando tutte e tre le camere vengono attivate contemporaneamente con la stessa pressione, il modulo si allunga partendo da una lunghezza di 50 millimetri a zero bar; con una pressione di 0,65 bar, il modulo raggiunge 83,3 millimetri, corrispondenti a un allungamento di 33,3 millimetri, pari a circa il 66%. L'uso di una sola o due delle camere provocherà una curvatura del dispositivo.

Il modulo è in grado di piegarsi fino a 120 gradi nel caso di piegatura con una camera e fino a 80 gradi per la piegatura con due camere. In entrambi i casi, la piegatura significativa inizia quando le camere vengono gonfiate a circa 0,3 bar. Il modulo è in grado di generare forze da 24,1 newton quando viene attivata una camera fino a 47,1 newton quando vengono gonfiate tre camere.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in quattro ore se realizzata correttamente. Questa tecnica apre la strada ai ricercatori nel campo della robotica morbida per esplorare la combinazione tra tecnologie fluidiche, attuazione e rigidità variabile per strutture morbide. Dopo aver visto questo video, dovreste avere una buona comprensione di come gestire la modellatura di materiali morbidi e di come integrare calcolatori flessibili 3D con un meccanismo a rigidità variabile.

Non dimenticare che lavorare con il silicone, in presenza di lattice, può essere davvero pericoloso e precauzioni preventive, come lavorare sotto cappa aspirante e indossare guanti, devono essere sempre adottate durante l'esecuzione di questa procedura.