Oparta na prętach produkcja konfigurowalnych miękkich robotycznych pneumatycznych chwytaków do delikatnej manipulacji tkankami
2 sierpnia 2016
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie miękkich chwytaków przy użyciu podejścia opartego na prętach. W połączeniu z drukiem 3D i technikami miękkiej litografii. Ta metoda może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów napotykanych podczas produkcji miękkich chwytaków pneumatycznych, takich jak niedrożność kanałów podczas procesu ustawiania i włączenie komory powietrznej.
Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala nam ona budować zminiaturyzowane kanały pneumatyczne w strukturach miękkich chwytaków, aby zapewnić spójne uruchamianie. Implikacje tej techniki rozciągają się na to, co nazywa się chirurgią zespolenia nerwowego, ponieważ miękki chwytak robotyczny umożliwia delikatną manipulację nerwów bez nadmiernego uszkodzenia chwytania. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy napotkaliśmy trudności z opracowaniem funkcjonalnego miękkiego chwytaka przy użyciu konwencjonalnego procesu uszczelniania odlewów i zaczęliśmy eksperymentować z cienkimi prętami w fazie odlewania.
Rozpocząć od odważenia równej masy dwóch materiałów składowych elastomeru w naczyniu do mieszania. Następnie przykryj pojemnik i załaduj go do mieszalnika odśrodkowego wraz z masą równoważącą. Teraz uruchom 30-sekundowy cykl mieszania z fazą mieszania przy 2000 obr./min i fazą odgazowywania przy 2200 obr./min.
Spodziewaj się, że dokładnie wymieszane składniki będą teraz utwardzać się równomiernie po uformowaniu. Należy pamiętać, że projektowanie i produkcja form są omówione w protokole tekstowym, a następna sekcja dotyczy ich użytkowania. Proces ten rozpoczyna się od uformowania elementów ramienia chwytaka.
Najpierw włóż dwa wydrukowane w 3D bloki komory po lewej i prawej stronie elementu komory, aby wygenerować szczelną komorę z podłączonymi do niej kanałami pneumatycznymi. Następnie włóż przez komorę jedną lub dwie walcówki tytanowe o średnicy 1,5 milimetra, w zależności od tego, czy jest to model jedno- czy dwukanałowy. Pozostaw odległość dwóch milimetrów między końcówką chwytaka a prętem, aby utworzyć kanały pneumatyczne.
Teraz w pełni załaduj formę mieszanką elastomerową, upewniając się, że nie są w niej uwięzione pęcherzyki powietrza. Następnie utwardź formę w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez 10 minut. Następnym krokiem jest wyciągnięcie walcówki i dwukomorowych bloków z formy.
Upewnij się, że połączenie między kanałami pneumatycznymi a komorą jest dobrze ugruntowane, ponieważ pozwala to na ściśnięcie komory w celu uruchomienia ramion chwytaka. Teraz przystąp do umieszczenia wydrukowanego w 3D bloku chwytaka na szczycie elementu chwytaka, aby utworzyć komorę. Najpierw włóż walcówkę, aby zablokować otwory w ściance formy.
Następnie napełnij formę mieszanką elastomerową i upewnij się, że w formie nie ma widocznych pęcherzyków powietrza. Utwardzaj tę formę przez 10 minut w temperaturze 60 stopni Celsjusza. Następnie odformuj utwardzone elementy, aby zmontować konstrukcję komory chwytaka.
Ostatnim krokiem jest napełnienie szczelnego elementu komory powietrzem. Aby to zrobić, wykonaj 2,5-milimetrową warstwę uszczelniającą, która kończy montaż. Napełnij formę mieszanką elastomerową i utwardź ją w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez 10 minut.
Po utwardzeniu nałóż warstwę materiału elastomerowego na utwardzoną 2,5-milimetrową warstwę uszczelniającą. Następnie umieść strukturę komory chwytaka na warstwie uszczelniającej i pozwól, aby uformowało się połączenie, upewniając się, że uszczelnienie jest idealne, dzięki czemu powstaje komora wypełniona powietrzem. Teraz utwardź całą strukturę przez kolejne 15 minut w temperaturze 60 stopni Celsjusza.
Następnie usuń pozostałą formę, aby ukończyć urządzenie. Narzędzie manipulacyjne jest również wykonane z formy, a szczegóły znajdują się w protokole tekstowym. Włóż chwytak do narzędzia manipulacyjnego i zakryj obszar otworu zdejmowaną prostokątną nasadką.
Następnie włóż ruchomy tłok, aby ułatwić komorę kompresji, co uzupełnia narzędzie ręczne. Alternatywnie można włożyć chwytak i siłownik liniowy do zrobotyzowanego narzędzia manipulacyjnego. W takim przypadku zakryj obszar otworu ruchomą prostokątną nasadką.
Aby ocenić funkcjonalność miękkiego chwytaka, przetestuj go za pomocą drutu połączeniowego. Wyreguluj chwytak tak, aby drut znajdował się między dwoma ramionami. Następnie przesuń tłok, aby ścisnąć komorę, która uruchamia ramiona chwytaka w celu przytrzymania drutu.
Przytrzymaj i przesuń drut w odległości co najmniej 20 centymetrów od pierwotnego położenia przewodu. Proponowana technika pokazuje, jak szybko wytwarzać tanie miękkie chwytaki pneumatyczne. Wystarczy zmienić konstrukcję formy i użyć tego samego elastomeru, aby uzyskać chwytaki do różnych zastosowań.
Przedstawiona tutaj konstrukcja jest w stanie podnosić przedmioty o wymiarach do 1,2 milimetra średnicy. W symulowanej operacji maksymalna siła ściskająca generowana przez pojedynczy ruchomy uchwyt ramienia wynosiła około 0,27 niutona. Urządzenia z podwójnym ramieniem mierzyły około 0,8 niutona.
Dla porównania, kleszcze z elastomerem i bez niego miały siłę chwytu odpowiednio około 1,7 i 2,6 niutona. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, równie ważne jest, aby pamiętać o dokładnym ustawieniu prętów przed odlaniem i starannym wykonaniu końcowego uszczelnienia.
Zgodnie z tą procedurą, gotowy miękki chwytak można przymocować do podstawy tłoka lub narzędzia do obsługi podstawy siłownika liniowego, aby umożliwić intuicyjne sterowanie chwytakiem. Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się miękką robotyką do zbadania projektu urządzeń chwytających komorę do manipulowania delikatnymi przedmiotami. Nie zapominaj, że kauczuk silikonowy może stanowić zagrożenie połknięcia i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie rękawiczek.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodę opartą na zastosowaniu prętów do wytwarzania miękkich chwytaków z wykorzystaniem druku 3D oraz technik miękkiej litografii. Metoda ta rozwiązuje kluczowe problemy produkcyjne, takie jak zapychanie się kanałów oraz konieczność stosowania zewnętrznego źródła powietrza.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurobiologia
- Miękka robotyka
- Inżynieria biomedyczna
Wstęp
- Miękkie chwytaki są niezbędne do precyzyjnych manipulacji w procedurach chirurgicznych.
- Konwencjonalne metody napotykają trudności, takie jak zapychanie się kanałów podczas uszczelniania.
- Miniaturyzacja kanałów pneumatycznych jest kluczowa dla efektywnego sterowania.
- Niniejsze badanie analizuje innowacyjne techniki wykonania, aby pokonać te problemy.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody tworzenia miękkich chwytaków.
- Zwiększenie funkcjonalności miękkich chwytaków w chirurgii anastomozy nerwów.
- Zminimalizowanie ryzyka uszkodzeń podczas delikatnych manipulacji nerwami.
Zastosowane metody
- Podejście oparte na prętach w procesie wytwarzania urządzenia.
- Połączenie technik druku 3D i miękkiej litografii.
- Wprowadzenie komory powietrznej w celu wyeliminowania potrzeby stosowania zewnętrznego źródła powietrza.
- Skupienie się na zminiaturyzowanych kanałach pneumatycznych w celu zapewnienia spójnego uruchamiania.
Główne wyniki
- Nowa metoda skutecznie ogranicza zapychanie kanałów.
- Miękkie chwytaki wykazały poprawę wydajności w manipulacji nerwami.
- Zminiaturyzowane kanały umożliwiły bardziej precyzyjne sterowanie.
- Opisane podejście rokuje szerokie zastosowanie w robotyce miękkiej.
Wnioski
- Niniejszy protokół oferuje nowatorskie rozwiązanie w zakresie wytwarzania miękkich chwytaków.
- Odnosi się on do istotnych wyzwań w dziedzinie miękkiej robotyki.
- Technika ta może mieć istotne znaczenie dla zastosowań chirurgicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Miękkie chwytaki robotyczne odpowiadają na krytyczną potrzebę precyzyjnej manipulacji tkankami przy niskiej sile w badaniach przedklinicznych i translacyjnych, zmniejszając ryzyko uszkodzenia próbek podczas delikatnych analiz biologicznych. Ta metoda wytwarzania oparta na prętach umożliwia szybkie i niskokosztowe prototypowanie konfigurowalnych siłowników pneumatycznych, wspierając iteracyjne projektowanie w procesach wczesnej walidacji celów oraz przesiewów fenotypowych. Dzięki wyeliminowaniu zapychania się kanałów i zależności od zewnętrznych źródeł powietrza, technika ta zwiększa powtarzalność i skalowalność w środowiskach badawczo-rozwojowych przedsiębiorstw koncentrujących się na mechanobiologii i badaniach nad dostarczaniem leków.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia funkcjonalną weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez kontrolowaną, niskosilną stymulację mechaniczną delikatnych tkanek lub organoidów.
- Wartość operacyjna: Wspiera szybkie prototypowanie niestandardowych geometrii chwytaków, aby dopasować je do różnych rozmiarów próbek biologicznych i stopnia ich kruchości.
- Wartość prognostyczna: Redukuje liczbę wyników fałszywie ujemnych w walidacji celów poprzez minimalizację artefaktowych uszkodzeń tkanek podczas manipulowania próbkami.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowane, sterowalne interfejsy do pozycjonowania biosensorów lub sond w skali mikro w formatach wysokoprzepustowych badań przesiewowych (high-content screening).
- Wartość operacyjna: Zapewnia spójne sterowanie pneumatyczne poprzez zminiaturyzowane kanały, co redukuje zmienność wyników odczytów w badaniach przesiewowych związków.
- Skalowalność: Umożliwia równoległy rozwój testów dzięki replikacji urządzeń chwytających w formie formowania na platformach wielodołkowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy fenotypowanie mechaniczne w fazie odkryć z modelami przedklinicznymi wymagającymi precyzyjnej manipulacji tkankami, takimi jak anastomoza nerwów lub badania naczyniowe.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Umożliwia ocenę wpływu związków na integralność tkanek pod wpływem kontrolowanego stresu biomechanicznego, co zwiększa pewność prognostyczną w optymalizacji wiodących cząsteczek.
- System istotny dla jednostki chorobowej: Wspiera rozwój fizjologicznie istotnych modeli ex vivo, w których delikatne obchodzenie się z próbkami pozwala zachować natywną architekturę i funkcję tkanki.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum procesów odkrywczych, umożliwiając niezawodne przygotowanie próbek do późniejszych analiz – od wczesnych testów oddziaływania z celem molekularnym po przedkliniczne badania skuteczności wymagające delikatnego obchodzenia się z tkanką.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez precyzyjną perturbację mechaniczną systemów biologicznych bez wywoływania utrudniających analizę odpowiedzi uszkodzeniowych.
- Przesiewanie: Zwiększa gotowość testów dzięki powtarzalnemu, wolnemu od zatorów napędowi pneumatycznemu, zapewniając spójne pozycjonowanie próbek w zautomatyzowanych procesach roboczych.
- Analityka: Umożliwia ilościowy odczyt siły i przemieszczenia korelujący z reakcją tkanki, co wspiera podejmowanie decyzji go/no-go w oparciu o dane.
- Badania translacyjne: Łączy wczesne fenotypowanie mechaniczne z walidacją przedkliniczną poprzez zachowanie żywotności tkanek podczas etapów manipulacji.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Pozycjonuje protokół wykonania jako technologię platformową wielokrotnego użytku, którą można dostosować do wielu projektów i obszarów terapeutycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność walidacji celu poprzez redukcję artefaktów mechanicznych w analizach delikatnych tkanek.
- Wartość operacyjna: Zwiększa przepustowość i powtarzalność dzięki standaryzowanemu wytwarzaniu z użyciem form oraz eliminacji zewnętrznej obsługi gazów.
- Wartość strategiczna: Obniża koszty prototypowania i przyspiesza iteracje projektowe w przypadku niestandardowych manipulatorów w projektach we wczesnej fazie.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia zaawansowanie prac z uwzględnieniem ryzyka poprzez zapewnienie integralności próbek na etapach screeningu mechanistycznego i fenotypowego.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w zakresie miękkiej litografii, druku 3D oraz pracy z elastomerami w celu przygotowania i utwardzania form.
- Wymaga dostępu do mieszalników odśrodkowych, form precyzyjnych oraz urządzeń do utwardzania termicznego w temperaturze 60°C.
- Wymaga standaryzacji protokołów wyrównywania prętów i uszczelniania w ramach zespołu w celu zapewnienia szczelności komory i spójnego działania siłowników.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji podczas skalowania liczby ramion chwytaka lub geometrii kanałów dla różnych typów tkanek lub rozmiarów próbek.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak wrażliwość na ręczne wyrównywanie oraz konieczność ostrożnego wyjmowania z formy, aby zapobiec uszkodzeniu kanałów.
