Fabrication Rod a base di personalizzabili morbide robotizzati pneumatici Gripper dispositivi per la manipolazione dei tessuti delicati
2 agosto 2016
Questo protocollo descrive un approccio basato su aste, che combina tecniche di stampa 3D e litografia morbida per fabbricare i dispositivi di presa morbida. Questo approccio elimina la necessità di una fonte d'aria esterna incorporando un componente della camera e riduce la possibilità di occlusione durante il processo di sigillatura, in particolare per i canali pneumatici miniaturizzati.
L'obiettivo generale di questa procedura è quello di fabbricare dispositivi di presa morbida utilizzando un approccio basato su aste. Combinato con la stampa 3D e le tecniche di litografia soft. Questo metodo può aiutare a rispondere ai problemi chiave affrontati nella fabbricazione di pinze pneumatiche morbide, come l'occlusione del canale durante il processo di impostazione e l'incorporazione di una camera d'aria.
Il vantaggio principale di questa tecnica è che ci consente di costruire canali pneumatici miniaturizzati all'interno delle strutture delle pinze morbide per garantire un'attuazione costante. L'implicazione di questa tecnica si estende alla chirurgia dell'anastomosi nervosa perché la pinza robotica morbida consente una delicata manipolazione dei nervi senza danni da presa eccessiva. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando abbiamo avuto difficoltà a sviluppare una pinza morbida funzionale utilizzando il processo di sigillatura della colata convenzionale e abbiamo iniziato a sperimentare con barre sottili nella fase di fusione.
Iniziare pesando una massa uguale dei due materiali componenti per l'elastomero in un recipiente di miscelazione. Quindi, coprire il contenitore e caricarlo in un miscelatore centrifugo insieme a una massa bilanciatrice. Ora, eseguire un ciclo di miscelazione di 30 secondi con la fase di miscelazione a 2000 giri/min e la fase di deaerazione a 2200 giri/min.
Aspettatevi che i componenti accuratamente miscelati si induriscano uniformemente una volta stampati. Si noti che la progettazione e la produzione degli stampi è trattata nel protocollo di testo e la sezione successiva si occupa del loro utilizzo. Questo processo inizia con lo stampaggio dei componenti del braccio di presa.
Innanzitutto, inserisci i due blocchi della camera stampati in 3D nel lato sinistro e destro del componente della camera per generare una camera sigillata con canali pneumatici ad essa collegati. Quindi, inserire una o due vergelle di titanio da 1,5 millimetri di diametro attraverso la camera, a seconda che si tratti di un modello a canale singolo o doppio. Lasciare una distanza di due millimetri tra la punta della pinza e l'asta per creare i canali pneumatici.
Ora, carica completamente lo stampo con la miscela elastomerica, assicurandoti che non rimangano intrappolate bolle d'aria all'interno. Quindi, polimerizzare lo stampo a 60 gradi Celsius per 10 minuti. Il prossimo passo è estrarre le vergelle e i due blocchi della camera dallo stampo.
Assicurarsi che il collegamento tra i canali pneumatici e la camera sia ben stabilito, in quanto ciò consente alla compressione della camera di azionare i bracci di presa. A questo punto, procedere con il posizionamento del blocco di presa stampato in 3D sopra il componente di presa per creare la camera. Per prima cosa, inserire le vergelle per bloccare i fori nella parete dello stampo.
Quindi, riempire lo stampo con la miscela elastomerica e assicurarsi che non vi siano bolle d'aria visibili intrappolate nello stampo. Polimerizza anche questo stampo per 10 minuti a 60 gradi Celsius. Successivamente, sformare i componenti polimerizzati per assemblare la struttura della camera di presa.
Il passaggio finale consiste nel riempire d'aria il componente della camera stagna. Per fare ciò, realizzare lo strato di tenuta da 2,5 millimetri che completa l'assemblaggio. Riempire lo stampo con la miscela elastomerica e polimerizzarlo a 60 gradi Celsius per 10 minuti.
Una volta indurito, spennellare uno strato di materiale elastomerico sullo strato sigillante polimerizzato da 2,5 millimetri. Quindi, posizionare la struttura della camera di presa sullo strato di tenuta e lasciare che si formi il legame, assicurandosi che la tenuta sia perfetta, quindi viene realizzata una camera riempita d'aria. Ora, polimerizza l'intera struttura per altri 15 minuti a 60 gradi Celsius.
Quindi rimuovere lo stampo rimanente per completare il dispositivo. Anche lo strumento di manipolazione è ricavato da uno stampo e i dettagli sono nel protocollo di testo. Inserire la pinza nell'utensile di manipolazione e coprire l'area di apertura con un tappo rettangolare rimovibile.
Quindi, inserire un pistone mobile per facilitare la compressione della camera che completa un attrezzo manuale. In alternativa, è possibile inserire la pinza e un attuatore lineare in uno strumento di movimentazione robotizzato. In questo caso, coprire l'area di apertura con un tappo rettangolare mobile.
Per valutare la funzionalità della pinza morbida, testarla con un ponticello. Regolare la pinza in modo che il filo si trovi tra i due bracci. Quindi, spostare il pistone per comprimere la camera che aziona i bracci della pinza per trattenere il filo.
Tenere e spostare il filo ad almeno 20 centimetri di distanza dalla posizione originale del filo. La tecnica proposta dimostra come fabbricare rapidamente pinze pneumatiche morbide a basso costo. La semplice modifica del design dello stampo e l'utilizzo dello stesso elastomero possono realizzare pinze per diverse applicazioni.
Il design qui presentato è in grado di raccogliere oggetti con dimensioni fino a 1,2 millimetri di diametro. In un intervento chirurgico simulato, la forza di compressione massima generata dalla singola presa del braccio azionabile era di circa 0,27 Newton. I dispositivi a doppio braccio attuabile misuravano circa 0,8 Newton.
In confronto, le pinze con e senza elastomero avevano forze di presa rispettivamente di circa 1,7 e 2,6 Newton. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un'ora se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è altrettanto importante ricordarsi di allineare saldamente le aste prima di lanciare ed eseguire con cura la sigillatura finale.
Seguendo questa procedura, la pinza morbida completata può essere fissata su una base del pistone o su uno strumento di movimentazione della base dell'attuatore lineare per consentire un controllo intuitivo della presa. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della robotica morbida per esplorare la progettazione di dispositivi di presa a camera per la manipolazione di oggetti delicati. Non dimenticare che la gomma siliconica può essere un pericolo di ingestione e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come indossare i guanti.
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Panoramica
Questo protocollo descrive un approccio basato su barre per la fabbricazione di dispositivi gripper morbidi mediante tecniche di stampa 3D e litografia su materiali morbidi. Questo metodo affronta sfide chiave nella fabbricazione, come l'occlusione dei canali e la necessità di una sorgente d'aria esterna.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Robotica morbida
- Ingegneria biomedica
Sfondo
- Gli attuatori morbidi sono essenziali per manipolazioni delicate in interventi chirurgici.
- I metodi convenzionali incontrano difficoltà come l'occlusione durante la chiusura.
- La miniaturizzazione dei canali pneumatici è fondamentale per un'attuazione efficace.
- Questo studio esplora tecniche innovative di fabbricazione per superare queste sfide.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo affidabile per la creazione di dispositivi gripper morbidi.
- Potenziare la funzionalità dei gripper morbidi nella chirurgia di anastomosi nervosa.
- Minimizzare il rischio di danni durante manipolazioni nervose delicate.
Metodi Utilizzati
- Approccio basato su asta per la fabbricazione del dispositivo.
- Combinazione di tecniche di stampa 3D e litografia morbida.
- Incorporazione di una camera d'aria per eliminare la necessità di una fonte d'aria esterna.
- Concentrazione su canali pneumatici miniaturizzati per un'attuazione costante.
Risultati principali
- Il nuovo metodo riduce con successo l'occlusione dei canali.
- I gripper morbidi hanno dimostrato prestazioni migliorate nella manipolazione dei nervi.
- Canali miniaturizzati hanno permesso un'attuazione più precisa.
- L'approccio mostra potenzialità per applicazioni più ampie nella robotica morbida.
Conclusioni
- Questo protocollo offre una soluzione innovativa per la fabbricazione di gripper morbidi.
- Affronta sfide significative nel campo della robotica morbida.
- La tecnica ha potenziali implicazioni per applicazioni chirurgiche.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Gli attuatori robotici morbidi rispondono alla necessità critica di una manipolazione dei tessuti precisa e a bassa forza nella ricerca preclinica e traslazionale, riducendo il rischio di danneggiamento del campione durante saggi biologici delicati. Questo metodo di fabbricazione basato su aste consente la prototipazione rapida ed economica di attuatori pneumatici personalizzabili, supportando la progettazione iterativa nei flussi di lavoro di validazione iniziale del bersaglio e di screening fenotipico. Eliminando l'occlusione dei canali e la dipendenza da fonti esterne d'aria, la tecnica migliora la riproducibilità e la scalabilità negli ambienti di ricerca e sviluppo aziendali focalizzati su studi di meccanobiologia e somministrazione di farmaci.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'interrogazione funzionale di ipotesi terapeutiche mediante stimolazione meccanica controllata e a bassa forza di tessuti delicati o organoidi.
- Valore operativo: Permette la prototipazione rapida di geometrie personalizzate delle pinze per adattarsi a diverse dimensioni di campioni biologici e profili di fragilità.
- Valore predittivo: Riduce i risultati falsi negativi nella validazione degli obiettivi minimizzando i danni artifatti ai tessuti durante la manipolazione dei campioni.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce interfacce standardizzate e attivabili per posizionare biosensori o sonde su scala microscopica in formati di screening ad alto contenuto.
- Valore operativo: Garantisce un'attuazione pneumatica costante attraverso canali miniaturizzati, riducendo la variabilità nei risultati dello screening di composti.
- Scalabilità: Facilita lo sviluppo di saggi paralleli mediante la replicazione basata su stampi di dispositivi a pinza su piattaforme multipozzetto.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità traslazionale: Collega la fenotipizzazione meccanica nella fase di scoperta a modelli preclinici che richiedono una manipolazione tissutale precisa, come l'anastomosi nervosa o gli studi vascolari.
- De-risking meccanicistico: Permette la valutazione degli effetti di composti sull'integrità tissutale sotto stress biomeccanico controllato, migliorando la previsione dell'ottimizzazione dei composti promettenti.
- Sistema rilevante per la malattia: Supporta lo sviluppo di modelli ex vivo fisiologicamente rilevanti in cui una manipolazione delicata preserva l'architettura e la funzione tissutale native.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si inserisce nel percorso della scoperta consentendo una preparazione affidabile dei campioni per analisi successive, dagli esami iniziali di interazione con il bersaglio agli studi preclinici di efficacia che richiedono un trattamento delicato dei tessuti.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi mediante perturbazioni meccaniche precise di sistemi biologici senza indurre risposte dannose confondenti.
- Screening: Migliora la prontezza del saggio grazie a un'attuazione pneumatica riproducibile e priva di occlusioni, che garantisce un posizionamento costante del campione nei flussi di lavoro automatizzati.
- Analisi: Consente letture quantitative di forza e spostamento correlate alla risposta del tessuto, sostenendo decisioni basate sui dati di tipo sì/no.
- Ricerca traslazionale: Collega il fenotipaggio meccanico precoce alla validazione preclinica mantenendo la vitalità del tessuto durante le fasi di manipolazione.
- Riutilizzo aziendale: Propone il protocollo di fabbricazione come tecnologia di piattaforma riutilizzabile e adattabile a diversi progetti e aree terapeutiche.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia nella validazione degli obiettivi riducendo gli artefatti meccanici nei saggi su tessuti delicati.
- Valore operativo: Aumenta la produttività e la riproducibilità grazie a una fabbricazione standardizzata basata su stampi ed eliminando la gestione esterna dei gas.
- Valore strategico: Riduce i costi di prototipazione e accelera le iterazioni di progettazione per manipolatori personalizzati nei progetti della fase iniziale.
- Impatto sul portafoglio: Permette un avanzamento adeguato al rischio assicurando l'integrità del campione nelle fasi di screening meccanicistico e fenotipico.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella litografia morbida, nella stampa 3D e nella manipolazione di elastomeri per la preparazione e la reticolazione degli stampi.
- Necessita dell'accesso a miscelatori centrifughi, stampi di precisione e attrezzature per la reticolazione termica a 60°C.
- Richiede una standardizzazione congiunta tra i team per quanto riguarda l'allineamento e le procedure di sigillatura delle barre, al fine di garantire l'integrità della camera e un'attuazione costante.
- Comporta considerazioni di adattamento nella scalabilità del numero di bracci del gripper o della geometria dei canali per diversi tipi di tessuto o dimensioni dei campioni.
- Include limitazioni pratiche, come la sensibilità dell'allineamento manuale e la necessità di un'accurata rimozione dallo stampo per evitare danni ai canali.
