Projekt i wykonanie jednostki elastomerowej dla miękkich robotów modułowych w chirurgii małoinwazyjnej

Ogólnym celem tego protokołu jest wyprodukowanie miękkiej jednostki, która zostanie zintegrowana z multimodalnym manipulatorem do użytku w chirurgii małoinwazyjnej. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie miękkiej robotyki, pokazując, jak zoptymalizować proces wytwarzania miękkiego manipulatora o wysokiej zręczności i możliwościach usztywniania. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest bardzo szybka i tania.

Ponadto produkt końcowy może być powielany w celu wytworzenia architektury multimodalnej poprawiającej wydajność manipulatora. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowicjuszami w tej metodzie, będą miały trudności, ponieważ moduły silikonowe o skomplikowanych kształtach zwykle wymagają wieloetapowej procedury publikacji, a optymalizacja jest często czasochłonna. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ etapy produkcji zewnętrznej zmiany są trudne do nauczenia, ponieważ opierają się na komercyjnym jasnym przesunięciu, które jest całkowicie zmodyfikowane dla ostatecznego celu.

Procedurę zademonstrują doktorantka Jada Bon i Margarita Blanco, asystentka naukowa z mojego laboratorium. Dodaj 12 gramów części A i 12 gramów części B na tej samej szalce Petriego i wymieszaj je razem, aby przygotować silikon. Następnie umieść zmieszany silikon w DGA pod jednym barem podciśnienia.

Utrzymuj materiał w próżni, aż wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte z materiału silikonowego. Zwykle zajmuje to około 10 minut, gdy materiały są całkowicie wolne od pęcherzyków, zwolnij próżnię i usuń silikon, który jest teraz gotowy do użycia. Zmontuj formę, wkładając najpierw cylinder usztywniający i górną część komór do nasadki A, a następnie zamykając wokół niej skorupy.

Wlej silikon do wnętrza zmontowanej formy aż do krawędzi muszli. Ustaw piekarnik na temperaturę 60 stopni Celsjusza i włóż wypełnioną foremkę do piekarnika. Pozostaw utwardzenie silikonu na około 30 minut.

Zdejmij zewnętrzne osłony i nasadkę A z utwardzonego silikonu. Następnie włóż moduły silikonowe z podstawy komór i cylindra usztywniającego do wnętrza nasadki B. Ponownie zamknij skorupy wokół modułu, przesuwając je o 10 milimetrów w górę, aby uzyskać odstęp 10 milimetrów między górną powierzchnią modułu a krawędziami skorup. Wlej dodatkowy silikon do wnętrza przestawionej formy aż do krawędzi muszli na górze.

Świeżo wysypany silikon utwardzamy w piekarniku w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez około 30 minut. Zdjąć zewnętrzną osłonę, pokrywę B i wszystkie komory z wyjątkiem cylindra usztywniającego. Wytnij rurki silikonowe o średnicy trzech milimetrów na długość około 30 centymetrów.

Nałóż klej silikonowy na zewnątrz jednego końca każdej rurki na pierwsze 10 milimetrów. Następnie włóż rurki do dwóch dedykowanych milimetrowych kanałów. W jednostce krzemowej.

Pozostaw klej do utwardzenia przez 12 minut. W temperaturze pokojowej odetnij 70 centymetrów rozprężnej plecionej osłony, a następnie włóż do niej metalowy cylinder o średnicy trzech centymetrów i długości 25 centymetrów. Następnie dociśnij i wciśnij osłonę na cylinder, aby utworzyć zaciski.

Mechanicznie przymocuj osłonę za pomocą zacisku i podgrzej ją pistoletem grzewczym w temperaturze 350 stopni Celsjusza przez dwie do trzech minut. W celu uzyskania trwałego odkształcenia należy odczekać, aż osłona ostygnie do temperatury pokojowej, a następnie wyjąć cylinder wewnętrzny. Przełóż rurki z jednostki silikonowej przez otwory nasadki C. Następnie wlej trzy gramy silikonu DGA do nasadki C i wsuń dolną stronę modułu wcześniej wyprodukowanego do nasadki C. Przesuń zaciśniętą osłonę wokół modułu i wepchnij pierwsze zaciski do nasadki C i zanurz je w świeżo nalanym silikonie.

Ustaw piekarnik na temperaturę 60 stopni Celsjusza i umieść próbkę w nim na około 20 minut. Po utwardzeniu silikonu powtórz ten sam proces po drugiej stronie, używając nasadki D, aby przymocować osłonę po górnej stronie. Gdy silikon zostanie również utwardzony na górnej stronie, zdejmij zarówno nasadkę C, jak i nasadkę D odpowiednio z dołu i z góry modułu.

Na koniec usuń cylinder usztywniający z całej jednostki silikonowej. Wlej kilka gramów płynnego lateksu do plastikowej szklanki i zanurz cylinder membrany wewnątrz płynnego lateksu, aż powierzchnia zostanie całkowicie pokryta. Następnie wyjmij go z lateksu i pozostaw membranę do wyschnięcia pod kapturem na 20 minut.

Następnie uformuj drugą warstwę, ponownie zanurzając ją w lateksie i pozostawiając do wyschnięcia na dodatkowe 20 minut. Po wyschnięciu wyjmij membranę z formy. Wytnij rurkę o średnicy dwóch milimetrów na długość 30 centymetrów.

Następnie weź kawałek nylonowej chusteczki o wymiarach 10 milimetrów na 10 milimetrów i zamknij jeden koniec rurki tą chusteczką za pomocą superglue. Następnie zważ około czterech gramów kawy granulowanej i wypełnij membranę proszkiem tak bardzo, jak to możliwe. Włóż przefiltrowany koniec rurki do napełnionej membrany i zamocuj go wokół rurki.

Za pomocą folii z tworzywa sztucznego zastosuj podciśnienie po drugiej stronie rurki, aby usztywnić membranę, a następnie włóż membranę do pustego kanału środkowego modułu krzemowego. Następnie przyklej końce membrany usztywniającej do modułu silikonowego. Zamknij pierścień wokół dolnej części modułu.

Wlej trochę świeżego silikonu do pierścienia, aby wyrównać powierzchnię i pozwól silikonowi wyschnąć pod kapturem. Na koniec zdejmij pierścienie i powtórz procedurę dla górnej strony modułu. Gdy wszystkie trzy komory są jednocześnie uruchamiane tym samym ciśnieniem, moduł wydłuża się, zaczynając od długości 50 milimetrów przy zerowym barze, moduł osiąga 83,3 milimetra przy ciśnieniu 0,65 bara, co odpowiada wydłużeniu 33,3 milimetra, czyli około 66%Użycie tylko jednej lub dwóch komór spowoduje wygięcie zestawu.

Moduł jest w stanie wygiąć się do 120 stopni w przypadku gięcia jednokomorowego oraz do 80 stopni w przypadku gięcia dwukomorowego. W obu przypadkach znaczne ugięcie zaczyna się w momencie napompowania komór o około 0,3 bara. Moduł jest w stanie generować siły od 24,1 niutonów przy uruchomieniu jednej komory do 47,1 niutonów przy napompowaniu trzech komór.

Po opanowaniu tę technikę można wykonać w ciągu czterech godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się robotyką miękką do zbadania połączenia technologii płynnych, akcyjnych i o zmiennej sztywności dla miękkich konstrukcji. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zarządzać formowaniem miękkich materiałów i jak zintegrować elastyczne kalkulatory 3D z mechanizmem zmiennej sztywności.

Nie zapominaj, że praca z silikonem, lateksem może być naprawdę niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak praca pod wyciągiem i noszenie rękawiczek.