2015年11月14日
この論文は、外科用マニピュレータ用のソフトユニットの設計と製造について説明しています。ベースモジュールには、全方向の曲げと伸びを実現する3つの柔軟な流体アクチュエータと、剛性制御を可能にする粒状ジャミングベースのメカニズムが含まれています。完全な機械的特性評価も報告されています。
このプロトコルの全体的な目標は、低侵襲手術で使用するためのマルチモーダルマニピュレーターに統合されるソフトユニットを製造することです。この方法は、高い器用さと硬化能力を備えたソフトマニピュレーターの製造手順を最適化する方法を示すことにより、ソフトロボティクスの分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、非常に高速で低コストであることです。
さらに、最終製品を複製して、マニピュレータの性能を向上させるマルチモーダルアーキテクチャを生成することができます。一般的に、この方法に不慣れな個人は、複雑な形状のシリコーンモジュールは通常、最適化に時間がかかることが多い多段階の公開手順を必要とするため、苦労するでしょう。外部シフト製造ステップは、最終的な目的のために完全に変更された商用の明るいシフトに基づいているため、習得が難しいため、この方法の視覚的なデモンストレーションは重要です。
その手順を実演するのは、Jada Bon 博士課程の学生であり、私の研究室の研究助手であるMargarita Blancoです。同じペトリ皿に12グラムのパートAと12グラムのパートBを加え、それらを混ぜ合わせてシリコーンを準備します。次に、混合シリコーンを1バールの真空圧下でDGAに入れます。
シリコン材料からすべての気泡が除去されるまで、材料を真空下に保ちます。これには通常、材料から気泡が完全になくなり、真空が放出され、シリコーンが除去されてから約10分かかります。最初に補強シリンダーとチャンバーの上部をキャップAに挿入し、次にその周りのシェルを閉じて金型を組み立てます。
組み立てた金型の内側にシリコンをシェルの端まで注ぎます。オーブンを摂氏60度の温度に設定し、充填した型をオーブンに入れます。シリコーンを硬化させて約30分間放置します。
硬化したシリコーンから外部シェルとキャップAを取り外します。次に、チャンバーと補強シリンダーのキャップの内側からシリコンモジュールを挿入しますB.モジュールの周りのシェルを再度閉じ、モジュールの上面とシェルの端との間に10ミリメートルの隙間を空けるために、モジュールを上に10ミリメートルスライドさせます。再配置された型の内側に追加のシリコンを注ぎ、上側のシェルの端まで注ぎます。
注ぎたてのシリコンを摂氏60度のオーブンで約30分間硬化させます。外部シェルキャップBと、補強シリンダーを除くすべてのチャンバーを取り外します。直径3mmのシリコンチューブを約30cmの長さにカットします。
最初の10ミリメートルの間、各チューブの一方の端の外側にシリコン接着剤を置きます。次に、2ミリメートルの専用チャネル内にチューブを挿入します。シリコンユニット内。
接着剤を12分間硬化させます。室温で、拡張可能な編組シースを70センチメートルカットし、直径3センチメートル、長さ25センチメートルの金属シリンダーをシースの内側に挿入します。次に、シースを押し下げてシリンダーに押し込み、圧着を作成します。
機械的には、クランプでシースを所定の位置に固定し、加熱ガンで摂氏350度で2〜3分間加熱します。永久変形を起こすには、シースを室温まで冷ましてから、内部シリンダーを取り外します。シリコンユニットからのチューブをキャップCの穴に通します。次に、DGAのシリコンを3グラムをキャップCに注ぎ、以前に製造したモジュールの底面をキャップCにスライドさせます。圧着されたシースをモジュールの周りにスライドさせ、キャップC内の最初の圧着を押し込み、注ぎたてのシリコンに浸します。
オーブンを摂氏60度の温度に設定し、サンプルを約20分間置きます。シリコーンが硬化したら、キャップDを使用して反対側でも同じプロセスを繰り返し、シースを上面に固定します。シリコンが上面でも硬化したら、モジュールの底面と上面からキャップCとキャップDの両方をそれぞれ取り外します。
最後に、シリコンユニット全体から補強シリンダーを取り外します。プラスチックグラスに数グラムの液体ラテックスを注ぎ、表面が完全に覆われるまで、メンブレンのシリンダーを液体ラテックスの内側に浸します。次に、ラテックスから取り出し、メンブレンをボンネットの下で20分間乾かします。
次に、再びラテックスに浸し、さらに20分間乾燥させて、2番目の層を形成します。乾いたら、メンブレンを型から取り外します。直径2mmのチューブを30cmの長さにカットします。
次に、10 mm x 10 mmのナイロン ティッシュを取り、瞬間接着剤を使用してこのティッシュでチューブの一方の端を閉じます。次に、約4グラムのグラニューコーヒーの重さを量り、メンブレンにできるだけ多くの粉末を入れます。チューブのろ過された端を充填されたメンブレンの内側に挿入し、チューブの周りに固定します。
プラスチックフィルムを使用して、チューブの反対側に真空を当ててメンブレンを硬化させ、シリコンモジュールの空の中央チャネル内にメンブレンを挿入します。次に、補強膜の端をシリコンモジュールに接着します。モジュールの底面の周りのリングを閉じます。
リングに新しいシリコンを注ぎ、表面を水平にし、フードの下でシリコンを乾かします。最後に、リングを取り外し、モジュールの上面に対して手順を繰り返します。3つのチャンバーすべてが同じ圧力で同時に作動すると、モジュールはゼロバールで50ミリメートルの長さから伸び、モジュールは0.65バールの圧力で83.3ミリメートルに達し、これは33.3ミリメートルの伸びに相当し、約66%チャンバーの1つまたは2つだけを使用すると、セットアップが曲がります。
このモジュールは、1チャンバー曲げの場合は最大120度、2チャンバー曲げの場合は最大80度曲げることができます。どちらの場合も、チャンバーが約0.3バール膨張すると、大幅な曲げが始まります。このモジュールは、1つのチャンバーが作動すると24.1ニュートンから、3つのチャンバーが膨らむと最大47.1ニュートンまで力を発生させることができます。
一度マスターすると、このテクニックは適切に実行されれば4時間で完了します。この技術は、ソフトロボティクス分野の研究者が、軟質構造の流体技術、作用技術、可変剛性技術の組み合わせを探求する道を開きます。このビデオを見れば、軟質材料の成形を管理する方法と、フレキシブル3D計算機を可変剛性メカニズムと統合する方法を十分に理解できるはずです。
シリコン、ラテックスでの作業は非常に危険である可能性があり、この手順を実行するときは、ヒュームフードの下での作業や手袋の着用などの事前予防策を常に講じる必要があることを忘れないでください。
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この論文は、マルチモーダル外科用マニピュレーターへの統合用に設計された柔軟なユニットの製造方法を提示します。このユニットは、曲げと伸長のための柔軟な流体アクチュエータと、剛性制御のための顆粒体ジャミングメカニズムを特徴としています。
Soft robotic manipulators with variable stiffness offer a strategic advantage in minimally invasive surgery by enabling safe navigation through confined anatomical spaces while maintaining dexterity. This fabrication approach supports early-stage target validation by providing a reproducible platform to assess biomechanical interactions in disease-relevant systems. The method enhances predictive confidence in preclinical models by allowing controlled actuation and stiffness modulation for mechanistic de-risking of surgical tool-tissue interactions.
The method positions soft unit fabrication within the discovery continuum from hypothesis testing to lead identification, supporting iterative design cycles in surgical robotics development.