低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

このプロトコルの全般的な目的は、低侵襲手術に使用されるマルチモーダル・マニピュレーターに組み込むためのソフトユニットを作製することです。この手法は、高い器用さと剛性化能力を備えたソフトマニピュレーターの作製手順をどのように最適化するかを示すことで、ソフトロボティクス分野における重要な課題への解決に寄与します。本手法の主な利点は、作製速度が非常に速く、低コストであることです。

さらに、最終製品を複製してマルチモーダルアーキテクチャを構築することで、マニピュレーターの性能を向上させることができます。一般的に、この手法に不慣れな方は、複雑な形状のシリコンモジュールには通常多段階の注型工程が必要であり、その最適化に時間を要することが多いため、苦労することがあります。本手法の視覚的なデモンストレーションは極めて重要です。なぜなら、外部シフトの作製ステップは、最終的な目的のために完全に改造された市販のブライトシフトに基づいているため、習得が困難だからです。

本手順の実演は、私の研究室の博士課程学生であるJada Bonと、リサーチアシスタントのMargarita Blancoが行います。パートAを12 grams、パートBを12 grams、同じペトリ皿に入れ、混ぜ合わせてシリコーンを調製します。次に、混合したシリコーンをDGAsに入れ、1 barの真空圧にかけます。

シリコン材料からすべての気泡が除去されるまで、真空状態で保持します。通常、これには約10分かかります。材料から完全に気泡がなくなったら、真空を解除してシリコンを取り出します。これで使用準備が整いました。まず、補強用シリンダーとチャンバー上部をキャップAに挿入し、その後、周囲のシェルを閉じて金型を組み立てます。

組み立てた型に、シェルの端までシリコンを注ぎます。オーブンを60 °Cに設定し、シリコンを満たした型をオーブンに入れます。シリコンを約30分間硬化させます。

硬化したシリコンから外側のシェルとキャップAを取り除きます。次に、チャンバーの底部からのシリコンモジュールと補強シリンダーをキャップBの中に挿入します。モジュールの周囲に再びシェルを閉じ、モジュールの上面とシェルの端との間に10 millimetersの隙間ができるように、シェルを10 millimeters上にスライドさせます。再配置したモールドの内部に、上側のシェルの端まで追加のシリコンを流し込みます。

注ぎたてのシリコンを、60 °Cのオーブンで約30分間硬化させます。外殻のキャップBと、補強シリンダー以外のすべてのチャンバーを取り除きます。直径3 mmのシリコンチューブを、約30 cmの長さに切断します。

各チューブの片端の外側に、最初の10 mm分までシリコン接着剤を塗布します。次に、シリコンユニット内にある2 mm専用チャンネルにチューブを挿入します。

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70cmにカットし、直径3cm、長さ25cmの金属製シリンダーをシース内部に挿入します。次に、シースを押し下げてシリンダーに強制的に被せ、クリンプを作成します。

クランプを用いてシースを機械的に固定し、ヒートガンで350 °Cで2〜3分間加熱します。永久変形を得るために、シースを室温まで冷却させてから内部シリンダーを取り出します。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、3 gのDGAsシリコンをキャップCに注ぎ、あらかじめ作製したモジュールの底面をキャップCにスライドさせて挿入します。圧着したシースをモジュールの周囲にスライドさせ、最初の圧着部分をキャップCの内部に押し込み、注いだばかりのシリコンに浸します。

オーブンを60 °Cに設定し、サンプルを約20分間入れます。シリコンが硬化した後、キャップDを使用して上側でシースを固定し、反対側でも同様の工程を繰り返します。上側のシリコンも硬化したら、モジュールの底部からキャップCを、上部からキャップDをそれぞれ取り除きます。

最後に、シリコンユニット全体から補強用シリンダーを取り出します。プラスチックコップに液体ラテックスを数グラム注ぎ、内部のメンブレンを固定しているシリンダーを、表面が完全に覆われるまで液体ラテックスに浸します。その後、ラテックスから取り出し、フード内で20分間メンブレンを乾燥させます。

次に、再びラテックスに浸し、さらに20分間乾燥させて2層目を形成します。乾燥後、型から膜を取り出します。直径2mmのチューブを長さ30cmに切断します。

次に、10 mm × 10 mmのナイロン組織を切り出し、瞬間接着剤を用いてチューブの一端をこの組織で閉じます。続いて、粒状コーヒーを約4 g量り取り、メンブレンに粉末を最大限まで充填します。チューブのフィルター側を充填したメンブレンの中に挿入し、チューブの周囲に固定します。

プラスチックフィルムを用い、チューブの反対側に真空をかけてメンブレンを硬化させ、その後、シリコンモジュールの空の中央チャンネル内にメンブレンを挿入します。次に、硬化させたメンブレンの両端をシリコンモジュールに接着します。モジュールの底面周囲のリングを閉じます。

表面を平らにするため、リングの中に新鮮なシリコンを注ぎ、フード内で乾燥させます。最後に、リングを取り除き、モジュールの上面に対して同様の手順を繰り返します。3つのチャンバーすべてを同時に同じ圧力で作動させると、モジュールは伸長します。0 barでの長さ50 mmから始まり、0.65 barの圧力で83.3 mmに達します。これは33.3 mmの伸長に相当し、約66%の伸長率となります。1つまたは2つのチャンバーのみを使用すると、セットアップが曲がります。

本モジュールは、1つのチャンバーを屈曲させた場合に最大120度まで、2つのチャンバーを屈曲させた場合に最大80度まで曲げることが可能です。いずれの場合においても、チャンバーを約0.3 barまで膨張させると顕著な屈曲が始まります。また、本モジュールは、1つのチャンバーを作動させたときに24.1 Newtonsから、3つのチャンバーを膨張させたときに最大47.1 newtonsまでの力を発生させることができます。

この技術を習得し、適切に実施すれば、4時間で完了させることができます。本手法は、ソフトロボティクス分野の研究者が、ソフト構造体における流体、アクチュエーション、および可変剛性技術の組み合わせを探索するための道を開くものです。このビデオを視聴することで、ソフト材料の成形管理方法、および可変剛性機構を備えたフレキシブル3D計算機を統合する方法について、十分に理解できるはずです。

シリコンやラテックスを扱う際は非常に危険であるため、本手順の実施中は、常にドラフトチャンバー内での作業や手袋の着用などの予防措置を講じてください。