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

Ogólnym celem niniejszego protokołu jest wykonanie miękkiego elementu, który zostanie zintegrowany z multimodalnym manipulatorem przeznaczonym do zastosowań w chirurgii małoinwazyjnej. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny miękkiej robotyki, pokazując sposób optymalizacji procedury wykonania miękkiego manipulatora o wysokiej zręczności i zdolnościach do sztywnienia. Główną zaletą tej techniki jest jej szybkość oraz niski koszt.

Dodatkowo produkt końcowy może zostać powielony w celu stworzenia architektury multimodalnej, co poprawia wydajność manipulatora. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności, ponieważ moduły silikonowe o złożonych kształtach zazwyczaj wymagają wielofazowej procedury odlewania, a optymalizacja jest często czasochłonna. Wizualna prezentacja tej metody jest kluczowa, gdyż etapy wykonania formy zewnętrznej są trudne do opanowania, ponieważ opierają się na komercyjnej formie, która zostaje całkowicie zmodyfikowana do celu końcowego.

Procedurę zademonstrują Jada Bon, doktorantka, oraz Margarita Blanco, asystentka badawcza z mojego laboratorium. Do jednej szalki Petriego należy dodać 12 g części A oraz 12 g części B, a następnie wymieszać je w celu przygotowania silikonu. Tak przygotowany silikon należy umieścić w desykatorze próżniowym (DGA) pod ciśnieniem próżni wynoszącym 1 bar.

Utrzymuj materiał w próżni, aż wszystkie pęcherzyki powietrza zostaną usunięte z materiału silikonowego. Zazwyczaj zajmuje to około 10 minut. Gdy materiały będą całkowicie wolne od pęcherzyków, przerwij działanie próżni i wyjmij silikon, który jest już gotowy do użycia. Złóż formę, wkładając najpierw cylinder wzmacniający oraz górną część komór do nakrętki A, a następnie zamykając wokół nich obudowy.

Wlej silikon do zmontowanej formy, aż do krawędzi powłok. Ustaw temperaturę piekarnika na 60 °C i umieść w nim wypełnioną formę. Pozostaw silikon do utwardzenia na około 30 minut.

Usuń zewnętrzne formy oraz nakładkę A z utwardzonego silikonu. Następnie wsuń moduły silikonowe wraz z podstawą komór i cylindrem usztywniającym do wnętrza nakładki B. Ponownie zamknij formy wokół modułu, przesuwając je o 10 milimetrów w górę, aby zachować 10 milimetrów odstępu między górną powierzchnią modułu a krawędziami form. Wlej dodatkowy silikon do tak przygotowanej formy, aż do krawędzi form po stronie górnej.

Utwardzaj świeżo wlaną silikon w piekarniku w temperaturze 60 °C przez około 30 minut. Usuń zewnętrzną osłonę (zaślepkę B) oraz wszystkie komory z wyjątkiem cylindra usztywniającego. Dotnij silikonowe rurki o średnicy 3 mm do długości około 30 cm.

Nałóż klej silikonowy na zewnętrzną stronę jednego końca każdej rurki na odcinku pierwszych 10 mm. Następnie wprowadź rurki do dedykowanych kanałów o średnicy 2 mm w elemencie silikonowym.

Pozostaw klej do utwardzenia na 12 minut. W temperaturze pokojowej odetnij 70 centymetrów rozszerzalnej oplotki i następnie włóż do jej wnętrza metalowy cylinder o średnicy 3 centymetrów i długości 25 centymetrów. Następnie dociśnij i nasuń oplotkę na cylinder, aby utworzyć zaciski.

Mechanicznie przymocuj osłonkę za pomocą zacisku i podgrzewaj ją opalarką w temperaturze 350 °C przez dwie do trzech minut. Aby uzyskać trwałą deformację, pozwól osłonce ostygnąć do temperatury pokojowej, a następnie wyjmij wewnętrzny cylinder. Przeciągnij rurki z jednostki silikonowej przez otwory w nakrętce C. Następnie wlej trzy gramy silikonu DGA do nakrętki C i wsuń wcześniej wykonaną dolną stronę modułu do nakrętki C. Nasuń zaciśniętą osłonkę na moduł, wsuń pierwsze zaciski do wnętrza nakrętki C i zanurz je w świeżo wlanym silikonie.

Ustaw temperaturę piekarnika na 60 °C i umieść w nim próbkę na około 20 minut. Po utwardzeniu silikonu powtórz tę samą procedurę po drugiej stronie, używając nakrętki D do zamocowania osłony od góry. Gdy silikon utwardzi się również od strony górnej, zdejmij odpowiednio nakrętkę C z dołu i nakrętkę D z góry modułu.

Na koniec usuń cylinder usztywniający z całej jednostki silikonowej. Nalej kilka gramów ciekłego lateksu do plastikowego kubka i zanurz cylinder z membraną w ciekłym lateksie, aż powierzchnia zostanie całkowicie pokryta. Następnie wyjmij go z lateksu i pozostaw membranę do wyschnięcia pod dygestorium przez 20 minut.

Następnie uformuj drugą warstwę, ponownie zanurzając ją w lateksie i pozostawiając do wyschnięcia przez kolejne 20 minut. Po wyschnięciu wyjmij membranę z formy. Odetnij rurkę o średnicy dwóch milimetrów o długości 30 centymetrów.

Następnie należy wziąć kawałek tkaniny nylonowej o wymiarach 10 mm na 10 mm i zamknąć jeden koniec rurki tą tkaniną, używając superglue. Następnie odważić około czterech gramów mielonej kawy i wypełnić membranę proszkiem tak bardzo, jak to możliwe. Wsunąć przefiltrowany koniec rurki do wnętrza wypełnionej membrany i zamocować ją wokół rurki.

Używając folii plastikowej, zastosuj próżnię po drugiej stronie rurki, aby usztywnić membranę, a następnie włóż membranę do pustego kanału centralnego modułu silikonowego. Następnie przyklej końce usztywnionej membrany do modułu silikonowego. Zamknij pierścień wokół dolnej strony modułu.

Wlej świeży silikon do pierścienia, aby wyrównać powierzchnię, a następnie pozostaw go do wyschnięcia pod wyciągiem. Na koniec zdejmij pierścienie i powtórz procedurę dla górnej strony modułu. Gdy wszystkie trzy komory zostaną jednocześnie aktywowane tym samym ciśnieniem, moduł wydłuża się z początkowej długości 50 milimetrów przy 0 bar; przy ciśnieniu 0.65 bar moduł osiąga długość 83,3 milimetra, co odpowiada wydłużeniu o 33,3 milimetra, czyli około 66%. Użycie tylko jednej lub dwóch komór spowoduje wygięcie układu.

Moduł jest w stanie wygiąć się do 120 stopni w przypadku zgięcia jednej komory oraz do 80 stopni przy zgięciu dwóch komór. W obu przypadkach znaczące wygięcie rozpoczyna się, gdy komory zostaną napompowane do około 0.3 bar. Moduł jest w stanie generować siły od 24.1 Newtons przy aktywacji jednej komory do 47.1 newtons, gdy napompowane są trzy komory.

Po opanowaniu tej techniki, przy odpowiednim wykonaniu, można ją przeprowadzić w ciągu czterech godzin. Metoda ta otwiera przed badaczami w dziedzinie miękkiej robotyki możliwość eksploracji połączeń między technologiami płynnymi, aktuacyjnymi a technologiami zmiennej sztywności dla struktur miękkich. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć sposób formowania miękkich materiałów oraz sposób integrowania elastycznych kalkulatorów 3D z mechanizmem zmiennej sztywności.

Należy pamiętać, że praca z silikonem oraz lateksem może być bardzo niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury zawsze należy zachować środki ostrożności, takie jak praca pod dygestorium i noszenie rękawiczek.