디자인과 소프트 모듈 형 로봇의 탄성 장치의 제작 최소 침습 수술

본 프로토콜의 전반적인 목표는 최소 침습 수술에 사용될 다중 모드 매니퓰레이터에 통합될 소프트 유닛을 제작하는 것입니다. 이 방법은 높은 기민성과 경화 능력을 갖춘 소프트 매니퓰레이터의 제작 절차를 최적화하는 방법을 제시함으로써 소프트 로봇 공학 분야의 핵심 질문들에 대한 답을 찾는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 제작 속도가 매우 빠르고 비용이 저렴하다는 것입니다.

또한, 최종 제품을 복제하여 매니퓰레이터의 성능을 향상시키는 다중 모드 아키텍처를 제작할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 개인은 어려움을 겪을 수 있는데, 이는 복잡한 형상의 실리콘 모듈의 경우 대개 다단계 주조 공정이 필요하며 최적화에 많은 시간이 소요되기 때문입니다. 이 방법의 시각적 시연은 매우 중요한데, 외부 금형 제작 단계가 최종 목적에 맞게 완전히 수정된 상용 금형을 기반으로 하므로 학습하기 어렵기 때문입니다.

본 실험 과정은 저희 연구실의 박사 과정생인 Jada Bon과 연구 보조원인 Margarita Blanco가 시연하겠습니다. Petri dish 하나에 part A 12 grams와 part B 12 grams를 넣고 함께 섞어 실리콘을 준비합니다. 그다음, 혼합된 실리콘을 vacuum pressure 1 bar 조건의 DGAs에 넣습니다.

실리콘 재료에서 모든 기포가 제거될 때까지 진공 상태를 유지하십시오. 일반적으로 약 10분이 소요됩니다. 재료에 기포가 완전히 없어지면 진공을 해제하고 실리콘을 꺼내어 사용 준비를 마칩니다. 먼저 보강 실린더와 챔버 상단을 캡 A에 삽입한 다음, 그 주변으로 쉘을 닫아 몰드를 조립하십시오.

조립된 몰드의 쉘 가장자리까지 실리콘을 붓습니다. 오븐 온도를 60 °C로 설정하고, 실리콘을 채운 몰드를 오븐에 넣습니다. 실리콘이 약 30분 동안 경화되도록 둡니다.

경화된 실리콘에서 외부 쉘과 캡 A를 제거합니다. 다음으로, 챔버의 바닥 부분부터 실리콘 모듈과 보강 실린더를 캡 B 내부로 삽입합니다. 모듈 주변으로 쉘을 다시 닫고, 모듈의 상단 표면과 쉘의 가장자리 사이에 10 millimeters의 간격이 생기도록 쉘을 위쪽으로 10 millimeters 밀어 올립니다. 재배치된 몰드 내부에 상단 쉘 가장자리까지 실리콘을 추가로 붓습니다.

갓 부은 실리콘을 60 °C의 오븐에서 약 30분 동안 경화시킵니다. 외부 쉘 캡 B와 보강 실린더를 제외한 모든 챔버를 제거합니다. 직경 3 mm의 실리콘 튜브를 약 30 cm 길이로 자릅니다.

각 튜브의 한쪽 끝 외측 10 mm 구간에 실리콘 접착제를 바릅니다. 그다음 실리콘 유닛 내의 2 mm 전용 채널에 튜브를 삽입합니다.

접착제를 12분 동안 경화시킵니다. 상온에서 확장 가능한 편조 시스(expandable braided sheath)를 70cm 길이로 자른 후, 직경 3cm, 길이 25cm의 금속 실린더를 시스 내부에 삽입합니다. 다음으로, 시스를 실린더 위로 강하게 밀어 넣어 크림프(crimp)를 형성합니다.

기계적으로 클램프를 사용하여 시스(sheath)를 고정하고, 350 °C의 히팅건으로 2~3분 동안 가열합니다. 영구 변형을 얻기 위해 시스를 실온까지 식힌 다음 내부 실린더를 제거합니다. 실리콘 유닛의 튜브들을 캡 C의 구멍을 통해 통과시킵니다. 그런 다음 3 g의 DGAs 실리콘을 캡 C에 붓고, 이전에 제작한 모듈의 하단부를 캡 C 안으로 밀어 넣습니다. 크림핑된 시스를 모듈 주변으로 밀어 넣고, 첫 번째 크림핑 부분을 캡 C 내부로 밀어 넣어 방금 부은 실리콘에 담급니다.

오븐 온도를 60 °C로 설정하고 샘플을 약 20분 동안 넣습니다. 실리콘이 경화되면, 캡 D를 사용하여 상단에 시스(sheath)를 고정하고 반대편에도 동일한 과정을 반복합니다. 상단부의 실리콘까지 경화되면, 모듈의 하단과 상단에서 각각 캡 C와 캡 D를 제거합니다.

마지막으로, 전체 실리콘 유닛에서 보강 실린더를 제거합니다. 플라스틱 컵에 액상 라텍스를 몇 그램 붓고, 내부 막이 있는 실린더를 표면이 완전히 덮일 때까지 액상 라텍스에 담급니다. 그 다음 라텍스에서 꺼내어 후드 아래에서 20분 동안 막을 건조시킵니다.

그런 다음 다시 라텍스에 담근 후 20분 동안 더 건조시켜 두 번째 층을 형성합니다. 건조가 완료되면 몰드에서 막을 제거합니다. 직경 2mm의 튜브를 30cm 길이로 자릅니다.

그런 다음 10 millimeter x 10 millimeter 크기의 나일론 조직 조각을 준비하고, 순간접착제를 사용하여 이 조직으로 튜브의 한쪽 끝을 막습니다. 다음으로, 입자형 커피 약 4 g을 측정하여 막 내부를 분말로 최대한 채웁니다. 튜브의 여과된 끝부분을 채워진 막 내부에 삽입하고 튜브 주변을 고정합니다.

플라스틱 필름을 사용하여 튜브의 반대편에 진공을 가해 막을 뻣뻣하게 만든 다음, 실리콘 모듈의 비어 있는 중앙 채널 내부에 막을 삽입합니다. 이어서, 뻣뻣해진 막의 양 끝을 실리콘 모듈에 접착합니다. 모듈의 하단 주변 링을 닫습니다.

표면을 평평하게 하기 위해 링 안에 신선한 실리콘을 붓고, 후드 아래에서 실리콘을 건조시킵니다. 마지막으로 링을 제거하고 모듈의 상단에 대해 동일한 절차를 반복합니다. 세 개의 챔버가 동일한 압력으로 동시에 작동하면, 0 bar에서 50 mm였던 모듈의 길이가 0.65 bar의 압력에서 83.3 mm까지 늘어나며, 이는 약 66%에 해당하는 33.3 mm의 신장량과 일치합니다. 하나 또는 두 개의 챔버만 사용하면 장치가 굽어지게 됩니다.

이 모듈은 단일 챔버 굴곡 시 최대 120도, 이중 챔버 굴곡 시 최대 80도까지 굽힐 수 있습니다. 두 경우 모두 챔버가 약 0.3 bar로 팽창될 때 유의미한 굴곡이 시작됩니다. 이 모듈은 단일 챔버 작동 시 24.1 Newtons에서 세 개의 챔버가 팽창될 때 최대 47.1 newtons의 힘을 생성할 수 있습니다.

이 기술을 숙달하면 적절하게 수행했을 때 4시간 이내에 완료할 수 있습니다. 본 기술은 소프트 로보틱스 분야의 연구자들이 소프트 구조물을 위한 유체, 구동 및 가변 강성 기술의 결합을 탐구할 수 있는 길을 열어줍니다. 이 영상을 시청한 후에는 소프트 재료의 몰딩 관리 방법과 가변 강성 메커니즘이 포함된 유연한 3D 계산기를 통합하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

실리콘 및 라텍스를 다루는 작업은 매우 위험할 수 있으므로, 이 절차를 수행하는 동안에는 항상 흄 후드 내에서 작업하고 장갑을 착용하는 등의 예방 조치를 취해야 함을 잊지 마십시오.