Name: Projekt i wykonanie jednostki elastomerowej dla miękkich robotów modułowych w chirurgii małoinwazyjnej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 6 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania miękkiej jednostki z elastomeru dla robotów chirurgicznych z giętkimi aktuatorami fluidycznymi i mechanizmem granularnego sztywnienia. Technika ta jest szybka, niskokosztowa i umożliwia replikację wielomodalnych manipulatorów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez Komisję Europejską w ramach Europejskiego Projektu STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 (#287728).

Uwaga: Ten protokół opisuje fazy produkcji pojedynczego modułu, który obejmuje komory fluidalne, kanał usztywniający, rurociągi uruchamiające i zewnętrzną osłonę. Poniższa procedura musi być wykonywana pod wyciągiem, w fartuchu laboratoryjnym i rękawicach ze względów bezpieczeństwa. Jak wcześniej wspomniano, proces wytwarzania jednostki elastomerowej opiera się na sekwencyjnym wykorzystaniu form zaprojektowanych za pomocą oprogramowania CAD. Składają się one z 13 części pokazanych na rysunku 2 i wymienionych w tabeli 1.
1. Przygotowanie silikonu
<ol>
	<li>Odważyć 12 g części A i 12 g części B w tej samej plastikowej szklance lub na szalce Petriego i wymieszać je ze sobą, mieszając. 
	Uwaga: Proporcje materiału mogą się różnić w zależności od konkretnego użytego silikonu, w tym przypadku składa się on z dwóch części: części A (baza) i części B (katalizator). Stosuje się je w proporcji 1A:1B wagowo.</li>
	<li>Umieść szklankę zawierającą zmieszane materiały silikonowe w maszynie odgazowującej pod ciśnieniem 1 bar. Trzymaj szklankę w próżni, aż wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte z materiału silikonowego. W przypadku zastosowanego silikonu proces odgazowania trwa około 10 minut. Gdy materiały są całkowicie wolne od pęcherzyków, przywróć ciśnienie atmosferyczne w maszynie i użyj silikonu.</li>
</ol>
2. Produkcja modułu krzemowego
<ol>
	<li>Montaż formy.
	<ol>
		<li>Włóż cylinder usztywniający i górną część komór do cap_A (Rysunek 3a).</li>
		<li>Zamknij muszle wokół drugiej warstwy cap_A.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pierwszy odlew silikonowy.
	<ol>
		<li>Wlej silikon do zmontowanej formy aż do krawędzi muszli (Rysunek 3b).</li>
		<li>Formę wstawiamy do piekarnika nagrzanego do 60 °C na około 30 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przegrupowanie formy.
	<ol>
		<li>Zdejmij zewnętrzne osłony i cap_A (Rysunek 3c).</li>
		<li>Włóż cylindry z podstaw komór i cylinder usztywniający do środka cap_B (Rysunek 3d).</li>
		<li>Ponownie zamknij osłony wokół modułu, przesuwając je o 10 mm w górę, aby uzyskać odstęp 10 mm między górną powierzchnią modułu a krawędziami osłon (rysunek 3e).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Drugi odlew silikonowy.
	<ol>
		<li>Wlej silikon do wnętrza przestawionej formy aż do krawędzi muszli po górnej stronie (tj. również do cylindra usztywniającego) (Rysunek 3f).</li>
		<li>Formę wstawiamy do piekarnika nagrzanego do 60°C na około 30 min.</li>
		<li>Zdejmij zewnętrzne osłony, cap_B i komory (z wyjątkiem cylindra usztywniającego) (rysunek 3g).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Wkładanie rurek
<ol>
	<li>Wytnij 3 rurki na tę samą żądaną długość (na przykład 300 mm).</li>
	<li>Nałóż klej silikonowy na jeden koniec każdej tubki na 10 mm, nie zasłaniając rurek.</li>
	<li>Włóż rurki do dedykowanych kanałów 2 mm w jednostce silikonowej (Rysunek 3h).</li>
	<li>Pozostaw czas utwardzania 12 minut w temperaturze pokojowej lub włóż moduł do piekarnika o wyższej temperaturze (50° - 60°), aby przyspieszyć proces suszenia.</li>
</ol>
4. Wykonanie plecionej osłony
<ol>
	<li>Wytnij 700 mm rozprężnej osłony w oplocie (około 15-krotność wysokości modułu).</li>
	<li>Włożyć do osłony metalowy cylinder o średnicy 30 mm i długości 250 mm.</li>
	<li>Dociśnij i wypchnij osłonę, przesuwając ją po cylindrze, aby utworzyć zaciski.</li>
	<li>Mechanicznie zamocować osłonę za pomocą zacisku i podgrzewać pistoletem grzewczym w temperaturze 350 °C przez 2-3 minuty, aż do uzyskania trwałego odkształcenia.</li>
	<li>Poczekaj, aż osłona ostygnie i wyjmij cylinder wewnętrzny.</li>
</ol>
5. Integracja zewnętrznej osłony
<ol>
	<li>Przełóż rurki przez otwory cap_C.</li>
	<li>Wlej 3 g silikonu do cap_C.</li>
	<li>Clamp cap_C do podpory, która jest wyższa niż płaszczyzna robocza.</li>
	<li>Włóż dolną stronę modułu, który został wcześniej wyprodukowany, do cap_C.</li>
	<li>Nasuń zaciśniętą osłonę wokół modułu.</li>
	<li>Wciśnij pierwsze zaciski osłony do środka cap_C i zanurz je w świeżo wylanym silikonie (Rysunek 3i).</li>
	<li>Formę wkładamy do piekarnika nagrzanego do 60 °C na około 20 min.</li>
	<li>Powtórz tę samą procedurę z punktu 5.1-5.6, aby zamocować osłonę na górze, używając cap_D (Rysunek 3j).</li>
	<li>Usuń cap_C i cap_D.</li>
	<li>Wyjmij centralny cylinder (Rysunek 3k).</li>
</ol>
6. Produkcja granulowanej membrany zagłuszającej
<ol>
	<li>Wlej 5 g płynnego lateksu do plastikowej szklanki.</li>
	<li>Zanurz cylinder membrany (ostatni element pokazany na rysunku 2) w płynnym lateksie, aż powierzchnia zostanie całkowicie pokryta.</li>
	<li>Pozostaw do wyschnięcia pod kapturem na 20 minut.</li>
	<li>Powtórzyć ppkt 6.2 i 6.3.</li>
	<li>Usuń membranę z formy.</li>
</ol>
7. Wprowadzenie granulowanej membrany zagłuszającej
<ol>
	<li>Przytnij rurkę (o średnicy 2 mm) na żądaną długość (na przykład 300 mm).</li>
	<li>Wytnij kwadratowy kawałek około 100mm2 nylonowej chusteczki i zamknij jeden koniec rurki tą chusteczką za pomocą plastikowej folii parafinowej lub superglue.</li>
	<li>Odważ 4 g kawy mielonej i napełnij membranę.</li>
	<li>Włóż rurkę (koniec z filtrem) do napełnionej membrany i przymocuj ją wokół rurki za pomocą plastikowej folii parafinowej.</li>
	<li>Zastosuj podciśnienie po drugiej stronie rurki (membrana stanie się sztywniejsza).</li>
	<li>Włóż membranę do pustego kanału środkowego modułu silikonowego (Rysunek 3l).</li>
	<li>Przyklej końce membrany usztywniającej do modułu silikonowego.</li>
	<li>Zamknij pierścienie wokół górnej części modułu (Rysunek 3m).</li>
	<li>Wlej 2 g silikonu do pierścieni w celu wyrównania powierzchni.</li>
	<li>Pozostaw silikon do wyschnięcia pod kapturem lub w piekarniku w temperaturze 60°.</li>
	<li>Zdejmij pierścienie.</li>
	<li>Powtórzyć od punktów 7.8 do 7.11 dla dolnej strony (rysunek 3n).</li>
</ol>

<ol><li>Scott, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Completely+transvaginal+NOTES+cholecystectomy+using+magnetically+anchored+instruments%5BTitle%5D)+AND+%22Surgical+Endoscopy%22%5BJournal%5D)">Completely transvaginal NOTES cholecystectomy using magnetically anchored instruments.</a> Surgical Endoscopy. 21, 2308-2316 (2007).</li>
<li>Vitiello, V., Lee, S., Cundy, T., Yang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+Robotic+Platforms+for+Minimally+Invasive+Surgery%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Reviews+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Emerging Robotic Platforms for Minimally Invasive Surgery.</a> IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 111-126 (2013).</li>
<li>Vyas, L., Aquino, D., Kuo, C. -H., Dai, J. S., Dasgupta, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+Robotics%5BTitle%5D)+AND+%22BJU+International%22%5BJournal%5D)">Flexible Robotics.</a> BJU International. 107, 187-189 (2011).</li>
<li>Degani, A., Choset, H., Wolf, A., Zenati, M. A. Highly articulated robotic probe for minimally invasive surgery. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 4167-4172 (2006).</li>
<li>Bajo, A., Dharamsi, L. M., Netterville, J. L., Garrett, C. G., Simaan, N. Robotic-assisted micro-surgery of the throat: The trans-nasal approach. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , 232-238 (2013).</li>
<li>Burgner, J., Swaney, P. J., Lathrop, R. A., Weaver, K. D., Webster, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Debulking+From+Within%3A+A+Robotic+Steerable+Cannula+for+Intracerebral+Hemorrhage+Evacuation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Debulking From Within: A Robotic Steerable Cannula for Intracerebral Hemorrhage Evacuation.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 60, 2567-2575 (2013).</li>
<li>Tortora, G., Ranzani, T., De Falco, I., Dario, P., Menciassi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Miniature+Robot+for+Retraction+Tasks+under+Vision+Assistance+in+Minimally+Invasive+Surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Robotics%22%5BJournal%5D)">A Miniature Robot for Retraction Tasks under Vision Assistance in Minimally Invasive Surgery.</a> Robotics. 3, 70-82 (2014).</li>
<li>Laschi, C., Cianchetti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+Robotics%3A+new+perspectives+for+robot+bodyware+and+control%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Bioengineering+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Soft Robotics: new perspectives for robot bodyware and control.</a> Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2, (2014).</li>
<li>Loeve, A., Breedveld, P., Dankelman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scopes+too+flexible...and+too+stiff%5BTitle%5D)+AND+%22Pulse%2C+IEEE%22%5BJournal%5D)">Scopes too flexible...and too stiff.</a> Pulse, IEEE. 1, 26-41 (2010).</li>
<li>Cianchetti, M., Follador, M., Mazzolai, B., Dario, P., Laschi, C. Design and development of a soft robotic octopus arm exploiting embodied intelligence. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , 5271-5276 (2012).</li>
<li>Bionic Handling Assistant, Festo. , Available from
 
 <a target="_blank" href="http://www.festo.com/cms/en_corp/9655.htm">http://www.festo.com/cms/en_corp/9655.htm</a> (2010).</li>
<li>Smith, K., Kier, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trunks%2C+tongues%2C+and+tentacles%3A+Moving+with+skeletons+of+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22American+Scientist%22%5BJournal%5D)">Trunks, tongues, and tentacles: Moving with skeletons of muscle.</a> American Scientist. 77, 28-35 (1989).</li>
<li>Walker, I. Some issues in creating “invertebrate” robots. International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines, , (2000).</li>
<li>McMahan, W., Jones, B., Walker, I. Design and implementation of a multi-section continuum robot: Air-octor. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , 2578-2585 (2005).</li>
<li>Laschi, C., Mazzolai, B., Cianchetti, M., Margheri, L., Follador, M., Dario, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Soft+Robot+Arm+Inspired+by+the+Octopus%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Robotics+%28Special+Issue+on+Soft+Robotics%29%22%5BJournal%5D)">A Soft Robot Arm Inspired by the Octopus.</a> Advanced Robotics (Special Issue on Soft Robotics). 26, 709-727 (2012).</li>
<li>STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project. , Available from
 
 <a target="_blank" href="http://www.stiff-flop.eu/">http://www.stiff-flop.eu/</a> (2011).</li>
<li>Chianchetti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+robotics+technologies+to+address+shortcomings+in+today%E2%80%99s+minimally+invasive+surgery%3A+the+STIFF-FLOP+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Robotics%22%5BJournal%5D)">Soft robotics technologies to address shortcomings in today’s minimally invasive surgery: the STIFF-FLOP approach.</a> Soft Robotics. 1, 122-131 (2014).</li>
<li>Cheng, N. G., et al. Design and Analysis of a Robust, Low-cost, Highly Articulated manipulator enabled by jamming of granular media. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , 4328-4333 (2012).</li>
<li>Cianchetti, M., Ranzani, T., Gerboni, G., De Falco, I., Laschi, C., Menciassi, A. STIFF-FLOP Surgical Manipulator: mechanical design and experimental characterization of the single module. Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS. , 3576-3581 (2013).</li>
<li>De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. A soft and controllable stiffness manipulator for minimally invasive surgery: preliminary characterization of the modular design). Proceedings of 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , (2014).</li>
<li>De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. STIFF-FLOP surgical manipulator: design and preliminary motion evaluation). Proceedings of 4th WorkShop on Computer/Robot Assisted Surgery (CRAS). , 131-134 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Technika opisana w tym protokole umożliwia wytworzenie sterowanej pneumatycznie jednostki miękkiej, którą można stosować w konstrukcjach zgodnych z modułami. Dzięki konstrukcji form i ich prostemu montażowi możliwe jest wyprodukowanie jednego kompletnego modułu w około 4 godziny przy składaniu się z 7 głównych kroków. W procesie wytwarzania wykorzystywane są specjalne materiały, które są łatwo dostępne, a prace powinny być wykonywane pod wyciągiem. Zewnętrzna konfiguracja obejmująca zawory powietrza, sprężarkę powietrza ...

Ostatnie trendy w dziedzinie medycyny dążą do zmniejszenia inwazyjności operacji chirurgicznych. W ciągu ostatnich kilku lat udało się udoskonalić chirurgię małoinwazyjną (MIS) w operacjach jamy brzusznej. Procedury MIS opierają się na wykorzystaniu narzędzi wprowadzanych przez cztery lub pięć punktów dostępowych (trokarów) umieszczonych na ścianie jamy brzusznej. W celu zmniejszenia liczby trokarów, instrumenty można wprowadzić za pomocą laparoskopii jednoportowej (SPL) lub chirurgii endoskopowej przezświszczennej z naturalnym otworem (UWAGI)1. Zabiegi te zapobiegają powstawaniu widocznych na zewnątrz blizn, ale zwiększają trudności dla klinicystów w wykonaniu operacji. Ograniczenie to wynika głównie ze zmniejszonych punktów dostępu oraz ze sztywnego i półsztywnego charakteru instrumentów, które nie są w stanie ominąć narządów2, 3 ani ich ominąć. Zręczność i ruchliwość można poprawić za pomocą robotów przegubowych i nadmiarowych, które mogą pokryć szerszą i bardziej złożoną przestrzeń roboczą, umożliwiając w ten sposób łatwiejsze dotarcie do określonego celu w ciele4, 5, 6 i w razie potrzeby pracę jako systemy chowania7. Elastyczny manipulator może poprawić podatność tkanek, dzięki czemu kontakt jest bezpieczniejszy niż przy użyciu tradycyjnych narzędzi.
Jednak tym manipulatorom często brakuje stabilności, gdy cel zostanie osiągnięty i generalnie nie mogą kontrolować kontaktu z otaczającymi tkankami8, 9. Badania nad strukturami biologicznymi, takimi jak ramię ośmiornicy10 i trąba słonia11, zainspirowały ostatnio do zaprojektowania elastycznych, odkształcalnych i podatnych manipulatorów z nadmiarową liczbą stopni swobody (DoF) i kontrolowanąsztywnością 12. Tego typu urządzenia wykorzystują sprężyny pasywne, inteligentne materiały, elementy pneumatyczne lub ścięgna13, 14, 15. Ogólnie rzecz biorąc, manipulatory wykonane z miękkich i elastycznych materiałów nie gwarantują generowania dużych sił.
Manipulator STIFF-FLOP (STIFFness controllable Flexible and Learnable manipulator for surgical OPerations) został niedawno zaprezentowany jako nowatorskie urządzenie chirurgiczne dla NOTES i SPL, zainspirowane możliwościami ośmiornicy. Aby przezwyciężyć ograniczenia poprzednich miękkich manipulatorów, ma miękki korpus, a także wysoką zręczność, dużą siłę i kontrolowaną sztywność16.
Architektura manipulatora opiera się na podejściu modułowym: wiele jednostek, o tej samej strukturze i funkcjonalnościach, jest ze sobą zintegrowanych. Pojedyncza jednostka jest pokazana na rysunku 1. Oparty jest na cylindrze elastomerowym uzyskanym w procesie wytwarzania wielofazowego. Etapy montażu elementów formy i procesów odlewania umożliwiają osadzenie trzech pustych komór (do uruchamiania płynnego) i jednego pustego kanału centralnego17 (do umieszczenia mechanizmu opartego na ziarnistym zakleszczaniu18). Komory są umieszczone pod kątem 120°, dzięki czemu ich połączone napompowanie powoduje ruch dookólny i wydłużenie. Ponadto zewnętrzna osłona w oplocie jest umieszczona na zewnątrz, aby ograniczyć rozszerzanie się promieniowo komór fluidalnych na zewnątrz pod ciśnieniem, optymalizując w ten sposób efekt zadziałania komory w ruchu modułu (zginanie i wydłużanie).
Centralny kanał mieści cylindryczne urządzenie składające się z zewnętrznej membrany wypełnionej ziarnistym materiałem. Zastosowanie podciśnienia zmienia swoje właściwości sprężyste, powodując usztywnienie, które wpływa na właściwości całego modułu.
Parametry ruchu i sztywności są kontrolowane przez zewnętrzną konfigurację, w tym sprężarkę powietrza i trzy zawory ciśnieniowe do uruchamiania komór oraz jedną pompę próżniową do aktywacji podciśnienia w kanale usztywniającym. Intuicyjny interfejs użytkownika umożliwia sterowanie uruchamianiem i ciśnieniem podciśnienia wewnątrz modułu.
Ten artykuł szczegółowo opisuje proces produkcji pojedynczego modułu tego manipulatora i przedstawia najważniejsze wyniki dotyczące podstawowych zdolności ruchowych. Biorąc pod uwagę modułowy charakter urządzenia, ocena produkcji i wydajności tylko jednego modułu umożliwia również rozszerzenie wyników i przewidzenie podstawowego zachowania manipulatora wielomodułowego integrującego dwa lub więcej modułów.

<table><tbody><tr><td>Ecoflex 00-50 Trial Kit</td><td>SmoothOn</td><td></td><td>Służy do wytwarzania miękkiej jednostki, łączącej równe ilości płynnych części A (baza) i B (katalizator)</td></tr><tr><td>Lateks</td><td>Antichit i grawer; Belsito</td><td></td><td>Używany do wytwarzania granulowanej membrany zagłuszanej</td></tr><tr><td>Rurki silikonowe utwardzane nadtlenkiem</td><td>Cole Parmer</td><td>T-06411-59</td><td>Używany do uruchamiania komór i nakładania próżniowego</td></tr><tr><td>plecionego oplotu rozprężnego PET</td><td>RS</td><td>408-249</td><td>Używany do produkcji zewnętrznej plecionej osłony</td></tr><tr><td>Guma silikonowa</td><td>Momentive</td><td>127374</td><td>Służy do mocowania rurek uruchamiających do moduł</td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06720-40</td><td>Służy do mocowania membrany lateksowej do rury próżniowej</td></tr><tr><td>Dygestoria Secuflow</td><td>Groupe Waldner</td><td></td><td>Przestrzeń robocza</td></tr><tr><td>Waga precyzyjna</td><td>KERN EW</td><td></td><td>Służy do ważenia silikonu, lateksu i kawy w proszku</td></tr><tr><td>Piekarnik/odgazowywacz</td><td>Heraeus</td><td></td><td>Służy do odgazowania silikonu i skrócenia czasu jego utwardzania</td></tr><tr><td>Pompa próżniowa</td> Technologia <td></td><td>próżniowa DVP</td><td>Służy do stosowania próżni na membranie lateksowej</td></tr></tbody></table>

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

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

W ostatnich latach, technologie miękkiej robotyki wzbudziły coraz większe zainteresowanie w dziedzinie medycyny ze względu na ich iskrobezpieczną interakcję w nieustrukturyzowanych środowiskach. Jednocześnie opracowano nowe procedury i techniki mające na celu zmniejszenie inwazyjności operacji chirurgicznych. Chirurgia małoinwazyjna (MIS) jest z powodzeniem stosowana w interwencjach brzusznych, jednak standardowe procedury MIS opierają się głównie na sztywnych lub półsztywnych narzędziach, które ograniczają zręczność lekarza. W artykule przedstawiono miękki i wysoce zręczny manipulator do MIS. Manipulator został zainspirowany biologicznymi możliwościami ramienia ośmiornicy i został zaprojektowany z myślą o podejściu modułowym. Każdy moduł ma te same cechy funkcjonalne, dzięki czemu osiąga się wysoką zręczność i wszechstronność po zintegrowaniu większej liczby modułów. W artykule szczegółowo opisano projekt, proces produkcji i materiały niezbędne do opracowania pojedynczej jednostki, która jest wytwarzana przez odlewanie silikonu w określonych formach. Rezultatem jest elastomerowy cylinder z trzema elastycznymi siłownikami pneumatycznymi, które umożliwiają wydłużanie i dookólne gięcie jednostki. Zewnętrzna osłona w oplocie usprawnia ruch modułu. W środku każdego modułu znajduje się granularny mechanizm oparty na zakleszczeniu, który zmienia sztywność konstrukcji podczas wykonywania zadań. Testy wykazały, że moduł jest w stanie wygiąć się do 120° i wydłużyć do 66% początkowej długości. Moduł generuje maksymalną siłę 47 N, a jego sztywność może wzrosnąć nawet do 36%.

Poszczególne etapy procesu wytwarzania, opisane w protokole, zostały zilustrowane na Rysunku 3.
W celu oceny skuteczności techniki oraz wyników końcowego prototypu, moduł został przetestowany w różnych warunkach pracy. Zewnętrzny układ pozwala na kontrolę zarówno sterowania, jak i sztywności modułu. Obejmuje on kompresor powietrza, który aktywuje trzy zawory. Są one połączone z rurkami silikonowymi zintegrowanymi w komorach i umożliwiają ich napowietrzanie. Pompa próżniowa jes...

Ten artykuł opisuje projektowanie i produkcję miękkiego urządzenia do manipulatorów chirurgicznych. Moduł podstawowy zawiera trzy elastyczne siłowniki hydrauliczne do uzyskiwania wielokierunkowego gięcia i wydłużania oraz mechanizm oparty na granulowanym zakleszczaniu, który umożliwia kontrolę sztywności. Podano również pełną charakterystykę mechaniczną.

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

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

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.

design-fabrication-an-elastomeric-unit-for-soft-modular-robots

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Opracowaliśmy metodę taniego i szybkiego prototypowania urządzeń do formowania wtryskowego płynnego elastomeru, używając drukarek 3D do modelowania osadzania topionego do projektowania form i zmodyfikowanego eksykatora jako systemu wtrysku cieczy.

Szybkie i tanie prototypowanie wyrobów medycznych przy użyciu drukowanych w 3D form do formowania wtryskowego cieczy

Ten manuskrypt pokazuje proces produkcji miękkich siłowników z elastomeru dielektrycznego opartych na membranach silikonowych. Szczegółowo przedstawiono trzy kluczowe etapy produkcji: odlewanie łopatek z cienkich membran silikonowych; tampodruk elektrod zgodnych z wymaganiami; i montaż wszystkich komponentów.

Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu

Ten protokół opisuje podejście oparte na prętach, łączące techniki druku 3D i miękkiej litografii do produkcji miękkich chwytaków. Takie podejście eliminuje potrzebę zewnętrznego źródła powietrza poprzez włączenie elementu komory i zmniejsza ryzyko niedrożności podczas procesu uszczelniania, szczególnie w przypadku zminiaturyzowanych kanałów pneumatycznych.

Oparta na prętach produkcja konfigurowalnych miękkich robotycznych pneumatycznych chwytaków do delikatnej manipulacji tkankami

Ten artykuł przedstawia projektowanie i implementację dedykowanego manipulatora robotycznego do pozaustrojowego badania ultrasonograficznego. System ma pięć stopni swobody z lekkimi przegubami wykonanymi metodą druku 3D i mechanicznym sprzęgłem do zarządzania bezpieczeństwem.

Zaprojektowanie i wykonanie dedykowanego manipulatora robotycznego do ultrasonografii pozaustrojowej

Ten protokół zawiera szczegółową listę kroków, które należy wykonać w celu produkcji, kontroli i oceny wydajności wspinaczki miękkiego robota inspirowanego gekonem.

Produkcja, kontrola i ocena wydajności miękkiego robota inspirowanego Gekonem

Ten protokół wprowadza elastyczną, nadającą się do noszenia nadliczbową kończynę robotyczną, dostosowaną do pomocy w rehabilitacji palców u pacjentów po udarze. Konstrukcja zawiera czujnik zginania, który ułatwia bezproblemową interakcję człowiek-robot. Walidacja poprzez eksperymenty z udziałem zarówno zdrowych ochotników, jak i pacjentów po udarze podkreśla skuteczność i niezawodność proponowanego badania.

Elastyczna nadliczbowa kończyna robotyczna do noszenia dla pacjentów z przewlekłym udarem mózgu

Chirurgia wspomagana robotycznie stała się bardzo popularna w ostatnich latach. Przedstawiono standardową opiekę nad pacjentami wykonującymi zabiegi w górnym odcinku przewodu pokarmowego, w tym demonstrację zrobotyzowanej resekcji klinowej żołądka przy użyciu modułowego urządzenia robotycznego.

Robotyka w chirurgii: modułowa resekcja klinowa żołądka napędzana platformą robotyczną

Ten protokół demonstruje jednoportową (SP) robotyczną transanalną resekcję tota mesorektalną (taTME) na modelu świń, podkreślając wykonalność proceduralną, kroki techniczne i zastosowanie przedkliniczne dla minimalnie inwazyjnej chirurgii odbytnicy.

Jednoportowa robotyczna resekcja mezorektalna przez odbytnicę u świń domowych (Sus scrofa domesticus)

Elastomeryczne rusztowania PGS z hodowanymi komórkami mięśni gładkich naczyń w bioreaktorze z przepływem pulsacyjnym mogą prowadzić do uzyskania obiecujących konstruktów tętniczych o małej średnicy z produkcją natywnej ECM w stosunkowo krótkim okresie hodowli.

Elastomeryczne rusztowania PGS w inżynierii tkanki tętniczej

Tutaj prezentujemy protokół opisujący proces wytwarzania mikroigieł polimerowych bez formy za pomocą fotolitografii.

Wytwarzanie polimerowych matryc mikroigłowych za pomocą fotolitografii

Poznaj metodę wytwarzania miękkiej jednostki z elastomeru dla robotów chirurgicznych z giętkimi aktuatorami fluidycznymi i mechanizmem granularnego sztywnienia. Technika ta jest szybka, niskokosztowa i umożliwia replikację wielomodalnych manipulatorów.

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

Przeglądaj więcej filmów