繊細な組織操作のためのカスタマイズ可能なソフトロボット空気圧グリッパ装置のロッドベースの試作
2016年8月2日
このプロトコルは、3Dプリンティングとソフトリソグラフィー技術を組み合わせたロッドベースのアプローチを説明しています。ソフトグリッパーデバイスを製造するためのものです。このアプローチでは、チャンバーコンポーネントを組み込むことで外部空気源の必要性を排除し、特に小型化された空気圧チャネルの場合、シーリングプロセス中の閉塞の可能性を低減します。
この手順の全体的な目標は、ロッドベースのアプローチを使用してソフトグリッパーデバイスを製造することです。3Dプリンティングとソフトリソグラフィー技術の組み合わせ。この方法は、設定プロセス中のチャネル閉塞やエアチャンバーの組み込みなど、ソフトニューマチックグリッパーの製造で直面する主要な問題に答えるのに役立ちます。
この技術の主な利点は、ソフトグリッパー構造内に小型の空気圧チャネルを構築して、一貫した作動を確保できることです。この技術の意味合いは、ソフトロボットグリッパーが過度に握りしめられる損傷なしに繊細な神経操作を可能にするため、神経吻合手術とは何かにまで及びます。この工法のアイデアを思いついたのは、従来の鋳造シール法では機能的なソフトグリッパーの開発が難航し、鋳造段階で細いロッドの実験を始めたことがきっかけでした。
まず、混合容器内のエラストマーの2つの成分材料を等質量で計量します。次に、容器を覆い、バランシングマスと一緒に遠心ミキサーに入れます。次に、混合フェーズを2000 RPMに、脱気フェーズを2200 RPMにして、30秒の混合サイクルを実行します。
完全に混合された成分は、成形時に均一に硬化することを期待してください。金型の設計と製造はテキストプロトコルで説明されており、次のセクションではその使用について説明します。このプロセスは、グリッパーアーム部品の成形から始まります。
まず、2つの3Dプリントされたチャンバーブロックをチャンバーコンポーネントの左側と右側に挿入して、空気圧チャネルが接続された密閉チャンバーを生成します。次に、直径1.5mmのチタン線材を1本または2本、シングルチャンネルモデルかダブルチャンネルモデルかにより、チャンバーに挿入します。グリッパーの先端とロッドの間に2mmの距離を空けて、空気圧チャネルを作成します。
次に、エラストマー混合物を金型に完全にロードし、気泡が内部に閉じ込められていないことを確認します。その後、型を摂氏60度で10分間硬化させます。次のステップは、線材と2つのチャンバーブロックを金型から引き出すことです。
空気圧チャネルとチャンバー間の接続が確立されていることを確認して、チャンバーの圧縮によりグリッパーアームを作動させることができます。次に、チャンバーを作成するために、3Dプリントされたグリッパーブロックをグリッパーコンポーネントの上に配置します。まず、線材を挿入して、金型の壁の穴を塞
ぎます。次に、エラストマー混合物を金型に充填し、金型に目に見える気泡が閉じ込められていないことを確認します。この型も摂氏60度で10分間硬化させます。次に、硬化した部品を離型して、グリッパーチャンバー構造を組み立てます。
最後のステップは、密閉されたチャンバーコンポーネントに空気を充填することです。これを行うには、アセンブリを完了する2.5ミリメートルのシーリング層を作成します。エラストマー混合物を型に充填し、摂氏60度で10分間硬化させます。
硬化したら、硬化した2.5ミリメートルのシーリング層にエラストマー材料の層をブラシで塗ります。次に、グリッパーチャンバー構造をシール層に置き、ボンディングを形成させ、シールが完全であることを確認し、空気で満たされたチャンバーを作成します。次に、摂氏60度でさらに15分間、構造全体を硬化させます。
次に、残りの金型を取り外してデバイスを完成させます。ハンドリングツールも金型から作られており、詳細はテキストプロトコルに記載されています。グリッパーをハンドリングツールに挿入し、開口部を取り外し可能な長方形のキャップで覆います。
次に、可動ピストンを挿入してチャンバーの圧縮を促進し、手動ツールを完成させます。または、グリッパーとリニアアクチュエータをロボットハンドリングツールに挿入します。この場合、可動式の長方形のキャップで開口部を覆います。
ソフトグリッパーの機能を評価するには、ジャンパーワイヤーでテストします。ワイヤーが2つのアームの間にくるようにグリッパーを調整します。次に、ピストンを動かしてチャンバーを圧縮し、グリッパーアームを作動させてワイヤーを保持します。
ワイヤーを保持し、ワイヤーの元の位置から少なくとも20センチ離して動かします。提案された技術は、低コストの柔らかい空気圧グリッパーを迅速に製造する方法を示しています。金型設計を変更し、同じエラストマーを使用するだけで、異なる用途のグリッパーを作製できます。
ここで紹介するデザインは、直径1.2mmまでの物体を拾うことができます。模擬手術では、1つの作動可能なアームグリップによって生成される最大圧縮力は約0.27ニュートンでした。ダブルアクチュアブルアームデバイスの寸法は約0.8ニュートンでした。
一方、エラストマー付きとエラストマーなしの鉗子の把持力は、それぞれ約1.7ニュートンと2.6ニュートンでした。このテクニックは、一度習得すれば、適切に実行すれば1時間で習得できます。この手順を試す際には、鋳造前にロッドをしっかりと位置合わせし、最終的なシーリングを慎重に行うことを忘れないでください。
この手順に従って、完成したソフトグリッパーをピストンベースまたはリニアアクチュエータベースハンドリングツールに取り付けて、グリップを直感的に制御することができます。開発後、この技術は、ソフトロボティクスの分野の研究者が繊細な物体操作のためのチャンバーグリッパーデバイスの設計を探求する道を開きました。シリコーンゴムは摂取の危険性があり、この手順を実行するときは手袋の着用などの予防措置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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概要
本プロトコルでは、3Dプリンティングとソフトリソグラフィー技術を用いてソフトグリッパーデバイスを作製するための、ロッドベースのアプローチについて解説します。この手法は、流路の閉塞や外部空気源の必要性といった、作製における主要な課題を解決するものです。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- ソフトロボティクス
- 生体医工学
背景
- ソフトグリッパーは、外科手術における繊細な操作に不可欠です。
- 従来の手法では、封止時の閉塞などの課題に直面しています。
- 効果的な駆動を実現するためには、空気圧チャネルの小型化が極めて重要です。
- 本研究では、これらの課題を克服するための革新的な作製技術について検討します。
研究目的
- 信頼性の高いソフトグリッパーデバイスの作製方法を開発すること。
- 神経吻合術におけるソフトグリッパーの機能を向上させること。
- 繊細な神経操作中の損傷リスクを最小限に抑えること。
使用した手法
- デバイス作製のためのロッドベースの手法。
- 3Dプリンティングとソフトリソグラフィ技術の組み合わせ。
- 外部空気源の必要性を排除するためのエアチャンバーの組み込み。
- 一貫した作動を実現するための小型空気圧チャネルへの重点化。
主な結果
- 新手法により、チャネルの閉塞が効果的に軽減されました。
- ソフトグリッパーにより、神経操作における性能向上が実証されました。
- チャネルの小型化により、より精密なアクチュエーションが可能になりました。
- このアプローチは、ソフトロボティクスにおけるより幅広い応用の可能性を示しています。
結論
- 本プロトコルは、ソフトグリッパー作製のための新しい手法を提案します。
- これは、ソフトロボティクス分野における重要な課題を解決するものです。
- この技術は、外科手術への応用に寄与する可能性があります。
よくある質問
産業界における重要性
ソフトロボットグリッパーは、前臨床およびトランスレーショナル研究において不可欠な、精密かつ低負荷の組織操作へのニーズに応えるものであり、繊細な生物学的アッセイ中のサンプル損傷のリスクを低減します。このロッドベースの作製法により、カスタマイズ可能な空気圧アクチュエータの迅速かつ低コストなプロトタイピングが可能となり、初期段階のターゲットバリデーションや表現型スクリーニングのワークフローにおける反復的な設計を支援します。チャネルの閉塞や外部空気源への依存を排除することで、本手法はメカノバイオロジーやドラッグデリバリー研究に焦点を当てた企業のR&D環境において、再現性とスケーラビリティを向上させます。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： 繊細な組織やオルガノイドへの制御された低負荷の機械的刺激を通じて、治療仮説の機能的な検証を可能にする。
- 運用の価値： 多様な生物学的サンプルのサイズや脆弱性のプロファイルに合わせた、カスタムグリッパー形状の迅速なプロトタイピングをサポートする。
- 予測的価値： サンプル操作時の人為的な組織損傷を最小限に抑えることで、ターゲット検証における偽陰性の結果を減少させる。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値：高コンテンツスクリーニング形式において、マイクロスケールのバイオセンサーまたはプローブを配置するための、標準化され駆動可能なインターフェースを提供します。
- 運用の価値：小型化されたチャネルを通じて一貫した空気圧駆動を保証し、化合物スクリーニングの読み取り値におけるばらつきを低減します。
- 拡張性：マルチウェルプラットフォームにわたるグリッパーデバイスの金型ベースの複製により、並行的なアッセイ開発を促進します。
トランスレーショナル・前臨床研究
- トランスレーショナルな連続性：発見段階のメカニカルフェノタイピングと、神経吻合や血管研究など精密な組織操作を必要とする前臨床モデルとの橋渡しをします。
- メカニズム面でのリスク低減：制御されたバイオメカニカルストレス下での組織整合性に対する化合物の影響を評価でき、リード最適化における予測精度を向上させます。
- 疾患に関連したシステム：愛護的な取り扱いによって天然の組織構造と機能が維持される、生理学的に適切なex vivoモデルの開発をサポートします。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、初期のターゲット結合アッセイから、繊細な組織操作を必要とする前臨床有効性試験に至るまで、ダウンストリーム解析のための信頼性の高い試料調製を可能にすることで、創薬の探索プロセスへと統合されます。
- 探索生物学： 混同を招く損傷応答を誘発することなく、生物学的システムに精密な機械的摂動を加えることで、仮説検証を支援します。
- スクリーニング： 再現性があり閉塞のない空気圧駆動により、自動化ワークフローにおける一貫したサンプルポジショニングを実現し、アッセイの準備効率を高めます。
- 分析： 組織反応と相関する定量的な力および変位の読み取りを可能にし、データに基づいたGo/No-Go判断を支援します。
- トランスレーショナルリサーチ： 操作ステップ中の組織生存性を維持することで、初期の機械的フェノタイピングと前臨床検証を繋げます。
- エンタープライズ再利用： 本作製プロトコルを、複数のプロジェクトや治療領域に適用可能な再利用可能なプラットフォーム技術として位置づけます。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 繊細な組織アッセイにおける機械的なアーティファクトを低減することで、ターゲットバリデーションの信頼性を向上させる。
- 運用的価値： 標準化されたモールドベースの作製および外部ガスハンドリングの排除により、スループットと再現性を向上させる。
- 戦略的価値： 初期段階のプロジェクトにおけるカスタムマニピュレーターのプロトタイピングコストを抑え、設計の反復サイクルを加速させる。
- ポートフォリオへの影響： メカニズム解析および表現型スクリーニング段階においてサンプルの完全性を確保し、リスクを調整した研究の推進を可能にする。
実施上の検討事項
- モールドの作製および硬化において、ソフトリソグラフィー、3Dプリンティング、およびエラストマーの取り扱いに関する専門知識が必要です。
- 遠心ミキサー、精密モールド、および60°Cでの熱硬化装置を利用できる環境が必要です。
- チャンバーの完全性と一貫した作動を確保するため、ロッドの配置およびシーリングプロトコルのチーム間での標準化が求められます。
- 異なる組織タイプや検体サイズに合わせてグリッパーアームの数やチャネル形状を変更する場合、適合性に関する検討が必要です。
- 手動での配置における感度の高さや、チャネルの損傷を防ぐための慎重な脱型の必要性といった実用上の制限が含まれます。
