Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

Het algemene doel van dit protocol is het vervaardigen van een zachte eenheid die geïntegreerd kan worden in een multimodale manipulator voor gebruik bij minimaal invasieve chirurgie. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van de zachte robotica door aan te tonen hoe het fabricageproces van een zachte manipulator met hoge behendigheid en verstijvingsmogelijkheden geoptimaliseerd kan worden. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze zeer snel en goedkoop is.

Daarnaast kan het eindproduct worden gereproduceerd om een multimodale architectuur te creëren die de prestaties van de manipulator verbetert. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, omdat siliconenmodules met complexe vormen gewoonlijk een meerfasig publicatieproces vereisen en optimalisatie vaak tijdrovend is. Een visuele demonstratie van deze methode is cruciaal, aangezien de fabricagestappen voor de externe verschuiving moeilijk aan te leren zijn omdat ze gebaseerd zijn op een commerciële heldere verschuiving die volledig is aangepast voor het uiteindelijke doel.

De procedure zal worden gedemonstreerd door Jada Bon, PhD-student, en Margarita Blanco, onderzoeksassistent uit mijn laboratorium. Voeg 12 gram van deel A en 12 gram van deel B toe aan dezelfde Petrischaal en meng deze om de siliconen voor te bereiden. Plaats de gemengde siliconen vervolgens in een DGA onder een vacuümdruk van één bar.

Houd het materiaal onder vacuüm totdat alle luchtbellen uit het silicone materiaal zijn verwijderd. Dit duurt gewoonlijk ongeveer 10 minuten. Zodra de materialen volledig vrij zijn van bellen, wordt het vacuüm opgeheven en wordt het silicone verwijderd, dat nu klaar is voor gebruik. Assembleer de mal door eerst de verstevigingscilinder en de bovenkant van de kamers in dop A te plaatsen en vervolgens de schalen eromheen te sluiten.

Giet de siliconen in de geassembleerde mal tot aan de rand van de schalen. Stel de oven in op een temperatuur van 60 °C en plaats de gevulde mal in de oven. Laat de siliconen ongeveer 30 minuten uitharden.

Verwijder de externe schalen en dop A van de uitgeharde siliconen. Plaats vervolgens de siliconenmodules vanaf de basis van de kamers en de verstevigingscilinder in dop B. Sluit de schalen opnieuw rond de module en schuif deze 10 millimeter omhoog, zodat er een opening van 10 millimeter ontstaat tussen het bovenste oppervlak van de module en de randen van de schalen. Giet extra siliconen in de opnieuw gerangschikte mal tot aan de rand van de schalen aan de bovenzijde.

Hard de vers gegoten siliconen uit in een oven bij 60 °C gedurende ongeveer 30 minuten. Verwijder de externe dop B van de behuizing en alle kamers, behalve de verstevigingscilinder. Snijd siliconen buisjes met een diameter van drie millimeter op een lengte van ongeveer 30 centimeter.

Breng siliconenkit aan rond de buitenkant van één uiteinde van elke buis over de eerste 10 millimeter. Steek de buizen vervolgens in de speciale kanalen van twee millimeter in de siliconenunit.

Laat de lijm 12 minuten uitharden. Snijd bij kamertemperatuur 70 centimeter van een uitzetbare gevlochten mantel af en plaats vervolgens een metalen cilinder met een diameter van drie centimeter en een lengte van 25 centimeter in de mantel. Duw daarna de mantel met kracht op de cilinder om krimpvormen te creëren.

Fixeer de mantel mechanisch met een klem en verhit deze met een föhn op 350 degrees Celsius gedurende twee tot drie minuten. Om een permanente vervorming te verkrijgen, laat u de mantel afkoelen tot kamertemperatuur en verwijdert u vervolgens de interne cilinder. Haal de buisjes van de siliconeneenheid door de gaten van dop C. Giet vervolgens drie gram DGAs silicone in dop C en schuif de onderzijde van de eerder vervaardigde module in dop C. Schuif de gecrimpte mantel om de module, duw de eerste crimps in dop C en dompel deze onder in de vers gegoten silicone.

Stel de oven in op een temperatuur van 60 °C en plaats de sample er ongeveer 20 minuten in. Zodra de siliconen zijn uitgehard, herhaalt u hetzelfde proces aan de andere zijde, waarbij dop D wordt gebruikt om de sheath aan de bovenzijde vast te zetten. Wanneer de siliconen aan de bovenzijde ook zijn uitgehard, verwijdert u respectievelijk dop C en dop D van de onder- en bovenkant van de module.

Verwijder ten slotte de verstevigingscilinder uit de volledige siliconenunit. Giet enkele grammen vloeibare latex in een plastic glas en dompel de cilinder voor het membraan in de vloeibare latex tot het oppervlak volledig is bedekt. Verwijder deze vervolgens uit de latex en laat het membraan gedurende 20 minuten drogen onder de zuigkap.

Vorm vervolgens een tweede laag door het membraan opnieuw in de latex te dompelen en nog 20 minuten te laten drogen. Verwijder het membraan uit de mal zodra het droog is. Snijd een buis met een diameter van twee millimeter op een lengte van 30 centimeter.

Neem vervolgens een stuk nylon weefsel van 10 millimeter bij 10 millimeter en sluit één uiteinde van de buis af met dit weefsel met behulp van secondelijm. Weeg daarna ongeveer vier gram korrelkoffie af en vul het membraan zoveel mogelijk met het poeder. Steek het gefiltreerde uiteinde van de buis in het gevulde membraan en bevestig dit rond de buis.

Breng met behulp van een plastic folie een vacuüm aan aan de andere zijde van de buis om het membraan te verstevigen en voer het membraan vervolgens in het lege centrale kanaal van de siliconenmodule in. Lijm daarna de uiteinden van het verstevigde membraan aan de siliconenmodule. Sluit de ring rond de onderzijde van de module.

Giet wat verse siliconen in de ring om het oppervlak te egaliseren en laat de siliconen onder een afzuigkap drogen. Verwijder ten slotte de ringen en herhaal de procedure voor de bovenzijde van de module. Wanneer alle drie de kamers gelijktijdig met dezelfde druk worden geactiveerd, rekt de module uit; uitgaande van een lengte van 50 millimeters bij nul bar, bereikt de module 83,3 millimeters bij een druk van 0,65 bar, wat overeenkomt met een verlenging van 33,3 millimeters, wat ongeveer 66% is. Het gebruik van slechts één of twee van de kamers zal ervoor zorgen dat de opstelling buigt.

De module is in staat om tot 120 graden te buigen in het geval dat één kamer buigt en tot 80 graden bij buiging van twee kamers. In beide gevallen begint een significante buiging wanneer de kamers met ongeveer 0,3 bar worden opgepompt. De module is in staat om krachten te genereren van 24,1 Newtons wanneer één kamer wordt geactiveerd, tot 47,1 newtons wanneer drie kamers worden opgepompt.

Zodra men deze techniek beheerst, kan deze in vier uur worden uitgevoerd mits deze correct wordt toegepast. Deze techniek maakt de weg vrij voor onderzoekers in het veld van de zachte robotica om de combinatie tussen fluïdische actuatie en technologieën voor variabele stijfheid in zachte structuren te verkennen. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u het gieten van zachte materialen beheert en hoe u flexibele 3D-calculatoren integreert met een mechanisme voor variabele stijfheid.

Vergeet niet dat het werken met siliconen en latex erg gevaarlijk kan zijn; er moeten daarom altijd voorzorgsmaatregelen worden genomen tijdens deze procedure, zoals het werken in een zuurkast en het dragen van handschoenen.