2015년 11월 14일
이 백서는 수술용 매니퓰레이터를 위한 소프트 유닛의 설계 및 제작에 대해 설명합니다. 기본 모듈에는 전방향 굽힘 및 연신을 달성하기 위한 3개의 유연한 유체 액추에이터와 강성 제어를 가능하게 하는 과립형 재밍 기반 메커니즘이 포함되어 있습니다. 완전한 기계적 특성화도 보고됩니다.
이 프로토콜의 전반적인 목표는 최소 침습 수술에 사용하기 위해 다중 모드 매니퓰레이터에 통합되는 소프트 유닛을 제작하는 것입니다. 이 방법은 높은 민첩성과 보강 기능을 갖춘 소프트 매니퓰레이터의 제조 절차를 최적화하는 방법을 보여줌으로써 소프트 로봇 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 매우 빠르고 저렴하다는 것입니다.
또한 최종 제품을 복제하여 멀티모달 아키텍처를 생성하여 매니퓰레이터의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 복잡한 모양의 실리콘 모듈은 일반적으로 최적화에 시간이 많이 걸리기 때문에 다단계 출판 절차가 필요하기 때문에 이 방법을 처음 접하는 개인은 어려움을 겪을 것입니다. 외부 시프트 제작 단계는 최종 목적을 위해 완전히 수정된 상업용 브라이트 시프트를 기반으로 하기 때문에 배우기 어렵기 때문에 이 방법의 시각적 시연이 중요합니다.
이 절차를 시연하는 사람은 Jada Bon 박사 과정 학생이자 제 연구실의 연구 조교인 Margarita Blanco입니다. 같은 페트리 접시에 파트 A 12g과 파트 B 12g을 넣고 함께 섞어 실리콘을 준비합니다. 그런 다음 혼합 실리콘을 DGA에 1bar의 진공 압력 아래에서 놓습니다.
실리콘 재료에서 모든 기포가 제거될 때까지 재료를 진공 상태로 유지하십시오. 일반적으로 재료에 기포가 완전히 제거되고 진공을 해제하고 실리콘을 제거하면 일반적으로 약 10분이 소요되며, 이제 사용할 준비가 되었습니다. 먼저 보강 실린더와 챔버 상단을 캡 A에 삽입한 다음 그 주위의 쉘을 닫아 금형을 조립합니다.
조립된 금형 내부의 실리콘을 쉘 가장자리까지 붓습니다. 오븐을 섭씨 60도로 설정하고 채워진 곰팡이를 오븐에 넣습니다. 실리콘을 약 30분 동안 경화시키십시오.
경화된 실리콘에서 외부 껍질과 캡 A를 제거합니다. 다음으로, 챔버의 기초와 보강 실린더의 기초에서 실리콘 모듈을 삽입하십시오 캡 B. 모듈 주위의 쉘을 다시 닫고 모듈의 상단 표면과 쉘의 가장자리 사이에 10mm의 간격을 갖도록 10mm 위로 밀어 넣습니다. 재배열된 몰드 내부에 위쪽 쉘 가장자리까지 추가 실리콘을 붓습니다.
갓 부은 실리콘을 섭씨 60도의 오븐에서 약 30분 동안 경화시킵니다. 외부 쉘, 캡 B, 스티프닝 실린더를 제외한 모든 챔버를 제거합니다. 직경 3mm의 실리콘 튜브를 약 30cm 길이로 자릅니다.
처음 10mm 동안 각 튜브의 한쪽 끝 바깥쪽에 실리콘 접착제를 바르십시오. 그런 다음 두 개의 밀리미터 전용 채널 내부에 튜브를 삽입합니다. 실리콘 유닛에서.
접착제가 12분 동안 경화되도록 합니다. 실온에서 팽창 가능한 꼰 피복을 70cm 절단한 다음 외피 내부에 직경 3cm, 길이 25cm의 금속 실린더를 삽입합니다. 그런 다음 크림프를 만들기 위해 칼집을 실린더에 아래로 누르고 힘을 가합니다.
기계적으로 클램프로 덮개를 제자리에 고정하고 섭씨 350도에서 2-3분 동안 가열 건으로 가열합니다. 영구적인 변형을 얻으려면 피복을 실온으로 식힌 다음 내부 실린더를 제거하십시오. 모자 C.Then의 구멍을 통해서 실리콘 단위에서 관을 통과시키십시오, DGAs 실리콘의 3 그램을 모자 C로 따르고 모자 C.Slide로 이전에 날조된 단위의 밑바닥 측을 미끄러지십시오, 단위의 주위에 주름을 잡은 칼집 및 모자 C 안쪽에 첫번째 주름을 밀고 갓 따르는 실리콘으로 그(것)들을 담그십시오.
오븐을 섭씨 60도의 온도로 설정하고 샘플을 약 20분 동안 넣습니다. 실리콘이 경화되면 캡 D를 사용하여 위쪽의 칼집을 고정하여 반대쪽에서도 동일한 과정을 반복합니다. 실리콘이 윗면에서도 경화되면 모듈의 하단과 상단에서 캡 C와 캡 D를 각각 제거합니다.
마지막으로 전체 실리콘 장치에서 보강 실린더를 제거합니다. 플라스틱 유리에 몇 그램의 액체 라텍스를 붓고 표면이 완전히 덮일 때까지 액체 라텍스 내부의 멤브레인용 실린더를 담그십시오. 그런 다음 라텍스에서 제거하고 멤브레인을 후드 아래에서 20분 동안 건조시킵니다.
그런 다음 다시 라텍스에 담그고 20분 더 건조시켜 두 번째 층을 형성합니다. 건조되면 금형에서 멤브레인을 제거합니다. 직경 2mm의 튜브를 30cm 길이로 자릅니다.
그런 다음 10mm x 10mm 크기의 나일론 티슈 조각을 가져다가 초강력 접착제를 사용하여 이 조직으로 튜브의 한쪽 끝을 닫습니다. 다음으로, 약 4g의 알갱이 커피의 무게를 측정하고 분말로 멤브레인을 최대한 채웁니다. 채워진 멤브레인 내부에 튜브의 여과된 끝을 삽입하고 튜브 주위에 고정합니다.
플라스틱 필름을 사용하여 튜브의 다른 쪽에 진공 청소를 하여 멤브레인을 보강한 다음 실리콘 모듈의 빈 중앙 채널 내부에 멤브레인을 삽입합니다. 다음으로, 보강 멤브레인의 끝을 실리콘 모듈에 붙입니다. 모듈 하단의 링을 닫습니다.
표면을 평평하게 하고 후드 아래에서 실리콘을 건조시키기 위해 링에 새 실리콘을 붓습니다. 마지막으로 링을 제거하고 모듈 상단에 대해 절차를 반복합니다. 세 개의 챔버가 모두 동일한 압력으로 동시에 작동하면 모듈은 제로 바에서 50mm의 길이에서 시작하여 늘어나고 모듈은 0.65bar의 압력으로 83.3mm에 도달하며, 이는 33.3mm의 연신율에 해당하며 이는 약 66%인 챔버 중 하나 또는 두 개만 사용하면 설정이 구부러집니다.
이 모듈은 한 챔버 굽힘의 경우 최대 120도, 두 챔버 굽힘의 경우 최대 80도까지 구부릴 수 있습니다. 두 경우 모두 챔버가 약 0.3bar 팽창할 때 상당한 굽힘이 시작됩니다. 이 모듈은 하나의 챔버가 작동될 때 24.1뉴턴에서 3개의 챔버가 팽창될 때 최대 47.1뉴턴까지 힘을 생성할 수 있습니다.
일단 마스터하면 이 기술을 제대로 수행하면 4시간 안에 완료할 수 있습니다. 이 기술은 소프트 로봇 분야의 연구자들이 소프트 구조를 위한 유체, 작용 및 가변 강성 기술 간의 조합을 탐구할 수 있는 길을 열어줍니다. 이 비디오를 시청한 후에는 부드러운 재료의 성형을 관리하는 방법과 유연한 3D 계산기를 가변 강성 메커니즘과 통합하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
실리콘으로 작업하는 라텍스는 정말 위험할 수 있으며 이 절차를 수행하는 동안 항상 흄 후드 아래에서 작업하고 장갑을 착용하는 것과 같은 사전 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.
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이 논문은 다중 모드 수술 조작기에 통합하도록 설계된 소프트 유닛을 제작하는 방법을 제시합니다. 이 유닛은 굽힘과 신장을 위한 유연한 유체 액추에이터와 강성 제어를 위한 과립 체결 메커니즘을 특징으로 합니다.
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.