Name: Progettazione e Realizzazione di ununità elastomerico per soft robot modulari in Chirurgia Mini-Invasiva (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 6 s
Description: Scopri come fabbricare un'unità elastomerica per manipolatori chirurgici multimodali con attuatori fluidici flessibili e meccanismo di granular jamming. Questo metodo rapido e a basso costo migliora la destrezza e il controllo della rigidezza in chirurgia mini-invasiva.

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Questo lavoro è stato supportato dalla CE nell'ambito del progetto europeo STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 (#287728).

Nota: Questo protocollo descrive le fasi di fabbricazione di un singolo modulo, che comprende le camere fluidici, irrigidimento canale, tubazioni di azionamento e guaina esterna. La seguente procedura deve essere eseguita sotto una cappa aspirante e indossando camice e guanti per motivi di sicurezza. Come precedentemente accennato, il processo di fabbricazione del dispositivo elastomerico è basato sull&#39;uso sequenziale di stampi progettati con software CAD. Sono composte da 13 pezzi mostrati nella Figura 2 e elencati nella tabella 1. 1. Preparazione del silicone <ol><li> Pesare 12 g di parte A e 12 g di parte B nello stesso bicchiere di plastica o una scatola Petri e mescolare insieme, mescolando. Nota: proporzioni dei materiali possono variare a seconda del silicone specifico utilizzato, in questo caso è costituito da due parti: la parte A (base) e parte B (catalizzatore). Essi sono utilizzati in proporzione 1A: 1B in peso. </li><li> Posizionare il vetro contenente la miscelamateriali siliconici Ed in una macchina di degasaggio a 1 bar di pressione di vuoto. Mantenere il vetro sotto vuoto fino a quando tutte le bolle vengono rimossi dal materiale siliconico. Per il silicone impiegato il processo di degasaggio dura circa 10 min. Una volta che i materiali sono completamente libero dalla presenza di bolle, ripristinare la pressione atmosferica nella macchina e utilizzare il silicone. </li></ol> 2. Realizzazione del modulo siliconico <ol><li> Assemblaggio dello stampo. <ol><li> Inserire il cilindro irrigidimento e la parte superiore delle camere in cap_A (Figura 3a). </li><li> Chiudere i gusci intorno al secondo strato di cap_A. </li></ol></li><li> Primo casting silicone. <ol><li> Versare il silicone nello stampo assemblato fino al bordo dei gusci (Figura 3b). </li><li> Collocare lo stampo in un forno a 60 ° C per circa 30 min. </li></ol></li><li> Riassetto dello stampo. <ol><li> Rimuovere i gusci esterni e cap_A (Figura 3c). </li><li> Inserire i cilindri dalle basi delle camere e il cilindro irrigidimento interno cap_B (Figura 3d). </li><li> Chiudere i gusci ancora attorno al modulo, facendoli scorrere di 10 mm verso l&#39;alto in modo da avere uno spazio di 10 mm tra la superficie superiore del modulo ed i bordi dei gusci (figura 3e). </li></ol></li><li> Seconda colata di silicone. <ol><li> Versare il silicone nello stampo riarrangiato fino al bordo delle conchiglie sul lato superiore (cioè anche fino al cilindro irrigidimento) (Figura 3f). </li><li> Mettere lo stampo in un forno a 60 ° C per circa 30 min. </li><li> Rimuovere i gusci esterni, cap_B e le camere (ad eccezione del cilindro di irrigidimento) (Figura 3g). </li></ol></li></ol> 3. Inserimento dei tubi <ol><li> Tagliare 3 tubi alla stessa lunghezza desiderata (300 mm per esempio). </li><li> Mettere colla siliconica intorno una estremità di ciascun tubo di 10 mm, senza obstructing i tubi. </li><li> Inserire i tubi all&#39;interno dei 2 mm canali nell&#39;unità siliconico (Figura 3 ore) dedicati. </li><li> Dopo un tempo di maturazione di 12 min a temperatura ambiente o mettere il modulo in un forno ad una temperatura superiore (50 ° - 60 °) per accelerare il processo di essiccazione. </li></ol> 4. Realizzazione della pressare intrecciato guaina <ol><li> Tagliare 700 mm di una guaina intrecciata espandibile (circa 15 volte l&#39;altezza del modulo). </li><li> Inserire un cilindro metallico di 30 mm di diametro e 250 mm di lunghezza all&#39;interno della guaina. </li><li> Abbassare e forzare la guaina facendo scorrere sopra il cilindro, al fine di creare piegature. </li><li> Fissare meccanicamente la guaina in posizione con un morsetto e calore con una pistola di riscaldamento a 350 ° C per 2-3 minuti fino ad ottenere una deformazione permanente. </li><li> Lasciare la guaina raffreddare e togliere il cilindro interno. </li></ol> 5. Integrazione della guaina esterna <ol><li> Passa iltubi attraverso i fori di cap_C. </li><li> Versate 3 g di silicone in cap_C. </li><li> Bloccare cap_C ad un supporto che è superiore al piano di lavoro. </li><li> Inserire il lato inferiore del modulo precedentemente fabbricato in cap_C. </li><li> Far scorrere la guaina crimpato intorno al modulo. </li><li> Spingere le prime tacche della guaina interna cap_C e immergerli nel silicone appena versato (Figura 3i). </li><li> Mettere lo stampo in un forno a 60 ° C per circa 20 min. </li><li> Ripetere la stessa procedura dal punto 5,1-5,6 per fissare la guaina sul lato superiore, utilizzando cap_D (Figura 3 undecies). </li><li> Rimuovere cap_C e cap_D. </li><li> Rimuovere il cilindro centrale (Figura 3k). </li></ol> 6. Realizzazione della Granular Jamming membrana <ol><li> Versare 5 g di lattice liquido in un bicchiere di plastica. </li><li> Immergere il cilindro per la membrana (ultimo pezzo illustrato in figura 2) nel lattice liquido finché la superficieè completamente coperto. </li><li> Lasciare asciugare sotto cappa per 20 min. </li><li> Ripetere i punti 6.2 e 6.3. </li><li> Rimuovere la membrana dallo stampo. </li></ol> 7. Inserimento del Granular Jamming membrana <ol><li> Tagliare un tubo (2 mm di diametro) alla lunghezza desiderata (300 mm per esempio). </li><li> Tagliare un pezzo quadrato di circa 100 mm 2 di tessuto di nylon e chiudere una estremità del tubo con questo tessuto con una pellicola di plastica o colla di paraffina. </li><li> Pesare 4 g di polvere di caffè e riempire la membrana. </li><li> Inserire il tubo (l&#39;estremità con il filtro) all&#39;interno della membrana riempito e fissarlo attorno al tubo con una pellicola di plastica di paraffina. </li><li> Applicare il vuoto sul lato opposto del tubo (la membrana diventa più rigido). </li><li> Inserire la membrana all&#39;interno del canale centrale vuota del modulo siliconico (figura 3L). </li><li> Incollare le estremità della membrana irrigidimento al modulo silicone. </li><li> Chiudere gli anelli intorno alla parte superiorelato del modulo (Figura 3m). </li><li> Versare 2 g di silicone negli anelli per livellare la superficie. </li><li> Lasciare il silicone secca sotto cappa o in forno a 60 °. </li><li> Rimuovere gli anelli. </li><li> Ripetere da punti 7.8 a 7.11 per il lato inferiore (Figura 3n). </li></ol>

<ol><li>Scott, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Completely+transvaginal+NOTES+cholecystectomy+using+magnetically+anchored+instruments%5BTitle%5D)+AND+%22Surgical+Endoscopy%22%5BJournal%5D)">Completely transvaginal NOTES cholecystectomy using magnetically anchored instruments.</a> Surgical Endoscopy. 21, 2308-2316 (2007).</li>
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</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

La tecnica descritta in questo protocollo consente la fabbricazione di un'unità morbida ad azionamento pneumatico utilizzabile per strutture modulari conformi. Grazie alla progettazione degli stampi e al loro semplice assemblaggio, è possibile realizzare un modulo completo in circa 4 ore con 7 passaggi principali. Il processo di fabbricazione coinvolge materiali specifici, che sono facilmente disponibili, e il lavoro deve essere svolto sotto una cappa aspirante. Per attivare il movimento e l'irrigidimento del modulo è ne...

Le recenti tendenze in campo medico premono per una riduzione della invasività delle operazioni chirurgiche. Chirurgia mininvasiva (MIS) è stato migliorato con successo negli ultimi anni per le operazioni addominali. Procedure MIS sono basate sull&#39;uso di strumenti introdotti attraverso quattro o cinque punti di accesso (Trequarti) poste sulla parete addominale. Al fine di ridurre il numero dei trocar, gli strumenti possono essere inseriti da porta singola Laparoscopia (SPL) o la chirurgia Natural Orifice transluminale endoscopica (NOTE) 1. Queste procedure impediscono cicatrici visibili esterni, ma aumentano la difficoltà per i medici nell&#39;esecuzione chirurgia. Questa limitazione è dovuta principalmente ai punti ridotti di accesso e la natura rigida o semi-rigida degli strumenti, che non sono in grado di evitare o passare intorno organi 2, 3. Destrezza e motilità può essere migliorata utilizzando articolato e iper-ridondante robot che possono coprire uno spazio di lavoro più ampio e complesso, thpermettendoci un obiettivo specifico nel corpo per raggiungere più facilmente 4, 5, 6 e per lavorare come sistemi quando necessario 7 retrazione. Un manipolatore flessibile può migliorare il rispetto dei tessuti, rendendo più sicuro di contatto con strumenti tradizionali. Tuttavia, questi manipolatori spesso mancano stabilità quando viene raggiunto l&#39;obiettivo e generalmente non possono controllare il contatto con i tessuti circostanti 8, 9. Studi su strutture biologiche, come il braccio polpo 10 e la proboscide 11, hanno recentemente ispirato la progettazione di manipolatori flessibili, deformabili e compatibili con un numero ridondante di gradi di libertà (DOF) e rigidità controllabile 12. Questi tipi di dispositivi utilizzano molle passivi, materiali intelligenti, elementi pneumatici, o tendini 13, 14, 15. Generalmente, manipolatori fabbricate con materiali morbidi e flessibili non garantiscono la generazione di forze elevate. Tegli Stiff-FLOP (rigidezza controllabile manipolatore flessibile e Programmabile per interventi chirurgici) manipolatore è stato recentemente presentato come un dispositivo chirurgico innovativo per NOTES e SPL ispirati a delle capacità del polpo. Per superare le limitazioni dei precedenti manipolatori morbido, ha un corpo morbido ed elevata destrezza, forza elevata e rigidità controllabile 16. L&#39;architettura del manipolatore è basato su un approccio modulare: unità multiple, con la stessa struttura e funzionalità, sono integrati insieme. La singola unità è mostrato nella Figura 1. Esso si basa su un cilindro elastomerico ottenuto da una fabbricazione multifase. Le fasi di montaggio dei componenti dello stampo e il processo di fusione consentono tre camere vuote (per azionamento fluidico) e un canale centrale cavo 17 (per l&#39;alloggiamento di un meccanismo basato inceppamenti granulare 18) per essere incorporati. Le camere sono poste a 120 °, in modo che ilinflazione combinata ir produce movimento omnidirezionale e l&#39;allungamento. Inoltre una guaina intrecciata esterna è posto esternamente per limitare l&#39;espansione radiale verso l&#39;esterno delle camere fluidici quando pressurizzato, ottimizzando così l&#39;effetto della camera di azionamento nel moto modulo (flessione ed allungamento). Il canale centrale ospita un dispositivo cilindrico costituito da una membrana esterna riempito di materiale granulare. Quando viene applicata una pressione di vuoto, cambia le sue proprietà elastiche causando un irrigidimento che interessa l&#39;intera proprietà del modulo. Prestazioni e rigidezza sono controllati da una configurazione esterna comprendente un compressore d&#39;aria e tre valvole di pressione per azionare le camere e una pompa a vuoto per attivare il vuoto nel canale di irrigidimento. Un&#39;interfaccia utente intuitiva permette il controllo di azionamento e del vuoto pressione all&#39;interno del modulo. Dettagli Questo documento il fabrication processo del singolo modulo di questo manipolatore e riporta i risultati più significativi sulla capacità di base di movimento. Considerando la natura modulare del dispositivo, la valutazione della fabbricazione e le prestazioni di un solo modulo singolo permette anche i risultati vengono estese e per prevedere il comportamento di base di un manipolatore multi-modulo integrando due o più moduli.

<table><tbody><tr><td>Kit di prova Ecoflex 00-50</td><td>SmoothOn</td><td></td><td>Utilizzato per la fabbricazione dell'unità morbida, combinando quantità uguali di parti liquide A (la base) e B (il catalizzatore)</td></tr><tr><td>Lattice</td><td>Antichit. Belsito</td><td></td><td>Utilizzato per la fabbricazione della membrana di inceppamento granulare</td></tr><tr><td>Tubo in silicone polimerizzato con perossido</td><td>Cole Parmer</td><td>T-06411-59</td><td>Utilizzato per l'azionamento delle camere e l'applicazione</td></tr><tr>del<td>manicotto intrecciato espandibile in PET</td> sottovuoto <td>RS</td><td>408-249</td><td>Utilizzato per la fabbricazione della guaina intrecciata esterna</td></tr><tr><td>Gomma siliconica</td><td>Momentive</td><td>127374</td><td>Utilizzato per fissare i tubi di attuazione al modulo</td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06720-40</td><td>Utilizzato per fissare la membrana in lattice al tubo a vuoto</td></tr><tr><td>Cappa aspirante Secuflow</td><td>Groupe Waldner</td><td></td><td>Spazio di lavoro</td></tr><tr><td>Bilancia di precisione</td><td>KERN EW</td><td></td><td>Utilizzato per pesare silicone, lattice e polvere di caffè</td></tr><tr><td>Forno/degasatore</td><td>Heraeus</td><td></td><td>Utilizzato per degassare il silicone e ridurne il tempo di polimerizzazione</td></tr><tr><td>Pompa a vuoto</td> Tecnologia <td></td><td>del vuoto DVP</td><td>Utilizzato per applicare il vuoto alla membrana in lattice</td></tr></tbody></table>

progettazione e realizzazione di un&#39;unità elastomerico per soft robot modulari in chirurgia mini-invasiva

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

Negli ultimi anni, le tecnologie robotica morbidi hanno suscitato crescente interesse in campo medico a causa della loro interazione sicurezza intrinseca in ambienti non strutturati. Allo stesso tempo, nuove procedure e tecniche sono stati sviluppati per ridurre l&#39;invasività delle operazioni chirurgiche. Chirurgia mininvasiva (MIS) è stato impiegato con successo per gli interventi addominali, procedure MIS però standard sono basati principalmente su strumenti rigidi o semirigidi che limitano la destrezza del clinico. Questo articolo presenta un manipolatore abile morbido e alto per MIS. Il manipolatore è ispirato le capacità biologiche del braccio di polpo, ed è stato progettato con un approccio modulare. Ogni modulo presenta le stesse caratteristiche funzionali, ottenendo così elevata destrezza e versatilità quando più moduli sono integrati. Dettagli La carta progettazione, processo di fabbricazione ed i materiali necessari per lo sviluppo di una singola unità, che è fabbricato da casting silicone all&#39;interno di stampi specifici. Il risultato consiste in un cilindro elastomerico compresi tre attuatori pneumatici flessibili che consentono l&#39;allungamento e flessione omnidirezionale dell&#39;unità. Una guaina intrecciata esterna migliora il movimento del modulo. Nel centro di ogni modulo un meccanismo basato inceppamenti granulare varia la rigidezza della struttura durante l&#39;attività. Le prove dimostrano che il modulo è in grado di piegare fino a 120 ° e di allungare fino al 66% della lunghezza iniziale. Il modulo genera una forza massima di 47 N, e la sua rigidità può aumentare fino al 36%.

Le varie fasi di fabbricazione, descritto nel protocollo, sono illustrati nella figura 3. Per valutare l&#39;efficacia della tecnica ei risultati del prototipo finale, il modulo è stato testato in diverse condizioni di lavoro. Un&#39;installazione esterna permette il controllo sia l&#39;azionamento e la rigidità del modulo. Esso comprende un compressore d&#39;aria che attiva tre valvole. Essi sono collegati ai tubi siliconici integrati nelle camere e consentire loro pressuri...

Questo documento descrive la progettazione e la fabbricazione di un'unità morbida per manipolatori chirurgici. Il modulo base include tre attuatori fluidici flessibili per ottenere la flessione e l'allungamento omnidirezionali e un meccanismo basato sull'inceppamento granulare per consentire il controllo della rigidità. Viene inoltre riportata una caratterizzazione meccanica completa.

Progettazione e Realizzazione di un&#39;unità elastomerico per soft robot modulari in Chirurgia Mini-Invasiva

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

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.

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