Name: Oparta na prętach produkcja konfigurowalnych miękkich robotycznych pneumatycznych chwytaków do delikatnej manipulacji tkankami (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 49 s
Description: Poznaj metodę opartą na prętach do produkcji miękkich chwytaków pneumatycznych wykorzystującą druk 3D i litografię miękką. Technika ta umożliwia precyzyjną manipulację tkankami w chirurgii nerwów bez ryzyka uszkodzeń.

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

Badania były wspierane przez R-397-000-204-133 (National University of Singapore Young Investigator Award).

Uwaga: Wszystkie miękkie chwytaki pneumatyczne zostały wyprodukowane przez odlewanie mieszanek elastomerowych na bazie silikonu do niestandardowych form drukowanych w 3D, które następowały po procesie produkcyjnym składającym się z trzech etapów: formowania elementów ramienia chwytaka z wbudowanymi kanałami pneumatycznymi, elementu komory formowania podłączonego do kanałów pneumatycznych i uszczelnienia elementu komory wypełnionego powietrzem.
1. Przygotowanie elastomerów
<ol>
	<li>Umieść pojemnik na mikser na wadze i wytaruj go. Wlać części A i B elastomeru na bazie silikonu do pojemnika w stosunku wagowym 1:1.</li>
	<li>Przykryj pojemnik i zmierz całkowitą wagę.</li>
	<li>Umieść pojemnik i materiał w mieszalniku odśrodkowym. Dostosuj balans masy na mikserze do wagi zmierzonej w kroku 1.2.</li>
	<li>Ustaw tryby mieszania i odpowietrzania odpowiednio na 2 000 obr./min i 2 200 obr./min na 30 sekund. Dokładnie wymieszaj składniki elastomeru, aby uzyskać równomierne utwardzenie.</li>
</ol>
2. Projektowanie i produkcja form
Uwaga: Geometria formy będzie się różnić w zależności od konkretnych wymagań dla różnych zastosowań. Poniższe kroki ilustrują ogólne kluczowe kroki w oprogramowaniu CAD, które są wymagane do utworzenia komory i komponentu chwytaka formy.
<ol>
	<li>Zaprojektuj formy i formę uszczelniającą za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Na rysunku 1 przedstawiono geometrię i konkretne wymiary form użytych w tym manuskrypcie.
	<ol>
		<li>Projektowanie zewnętrznej skrzynki granicznej
		<ol>
			<li>Kliknij prawym przyciskiem myszy górną płaszczyznę i kliknij przycisk "Normalnie do", aby znormalizować do górnej płaszczyzny.</li>
			<li>Kliknij "Szkic" w lewym górnym rogu, aby otworzyć okno "Szkic". Następnie kliknij przycisk "Szkicuj" w lewym górnym rogu paska narzędzi, aby narysować prostokątną podstawę komponentu komory.</li>
			<li>Kliknij funkcję "Inteligentny wymiar", która znajduje się obok przycisku "Szkic", aby zdefiniować wymiary szkicu. Upewnij się, że szkic jest w pełni zdefiniowany (tj. wszystkie linie rysowania stają się czarne) i opuść szkic po zakończeniu.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij funkcję "Wyciągnięte dodanie/podstawa", aby wyciągnąć wybrane kontury w kierunku Y.</li>
			<li>Kliknij górną powierzchnię modelu, aby wstępnie wybrać płaszczyznę szkicu. Naszkicuj prostokąt i zdefiniuj wymiary zgodnie z opisem w 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij funkcję "Extruded Cut", aby wyciąć wgłębienie do odlewania elastomerów (Rysunek 2A). Upewnij się, że grubość ścianki wynosi 2.5 mm.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Konstrukcja komory wewnętrznej
		<ol>
			<li>Kliknij prawym przyciskiem myszy powierzchnię w kierunku Y obszaru otworu. Następnie kliknij "Normalnie do", aby znormalizować do tej powierzchni.</li>
			<li>Następnie kliknij okno "Szkic", aby narysować prostokąt dla komponentu komory, zgodnie z opisem w krokach 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij funkcję "Extruded Boss/Base", aby wytłoczyć komponent komory w kierunku Y (Rysunek 2B). 
			Uwaga: Głębokość cięcia w kroku 2.1.1.6 jest o 2,5 mm większa niż ta wytłaczana podstawa.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Konstrukcja elementu chwytaka
		<ol>
			<li>Kliknij powierzchnię modelu w ujemnym kierunku X, aby wstępnie wybrać płaszczyznę szkicu dla komponentu chwytaka. Utwórz prostokąt w oknie "Szkic" zgodnie z opisem w krokach 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij funkcję "Wyciągnięte doprowadzenie/podstawa", aby wyciągnąć wybrany kontur w ujemnym kierunku X.</li>
			<li>Kliknij górną powierzchnię komponentu chwytaka, aby wstępnie wybrać płaszczyznę szkicu. Utwórz kształt chwytaka w oknie "Szkic" (Rysunek 2C) i wyjdź ze szkicu, gdy wymiary są w pełni zdefiniowane, jak opisano w krokach 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij "Extruded Cut", aby wyciąć wgłębienie do odlewania elastomerów w elemencie chwytaka. Upewnij się, że grubość ścianki wynosi 2.5 mm.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Projekt połączenia komory z chwytakiem
		<ol>
			<li>Utwórz prostokąt w oknie "Szkic" na górnej powierzchni elementu komory, jak opisano w 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij "Extruded Cut", aby utworzyć połączenie między elementami komory i chwytaka (Rysunek 2D).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Projektowanie kanałów pneumatycznych
		<ol>
			<li>Na powierzchni komory utworzyć okręgi o średnicy 1,5 mm w dodatnim kierunku X, jak opisano w krokach 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
			<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij "Extruded Cut", aby utworzyć kanały do wstawiania walcówki (Rysunek 2E). Upewnij się, że otwory nie są przecięte przez element chwytaka.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W osobnym pliku CAD narysuj formę uszczelniającą z wnęką o długości i szerokości o 1 mm większą niż zewnętrzne wymiary elementu komory chwytaka. Uwaga: Grubość ścianki wynosi 2,5 mm.
	<ol>
		<li>Kliknij okno "Szkic", aby utworzyć prostokąt na górnej płaszczyźnie zgodnie z opisem w krokach 2.1.1.2 i 2.1.1.3.</li>
		<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij funkcję "Wyciągnięte dodanie/podstawa", aby wyciągnąć wybrane kontury w kierunku Y.</li>
		<li>Kliknij górną powierzchnię modelu, aby wstępnie wybrać płaszczyznę szkicu. Naszkicuj prostokąt i zdefiniuj wymiary zgodnie z opisem w krokach 2.1.1.2 i 2.1.1.3).</li>
		<li>Kliknij okno "Funkcje". Następnie kliknij funkcję "Extruded Cut", aby wyciąć wnękę do odlewania elastomerów. Upewnij się, że grubość ścianki wynosi 2.5 mm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zapisz każdy element formy jako plik . Plik STL do druku 3D.</li>
	<li>Załaduj plik . STL do drukarki 3D o rozdzielczości 30 μm i wydrukuj elementy formy9.</li>
	<li>Usuń wszelki materiał podporowy z elementów formy i umyj je wodą.</li>
</ol>
3. Miękkie chwytaki pneumatyczne z pojedynczym/podwójnym ramieniem
<ol>
	<li>Formowanie elementów ramienia chwytaka z wbudowanymi kanałami pneumatycznymi
	<ol>
		<li>Włóż dwa wydrukowane w 3D bloki komory po lewej i prawej stronie elementu komory (rysunek 3A), aby wygenerować szczelną komorę z podłączonymi do niej kanałami pneumatycznymi.</li>
		<li>Przełóż dwie walcówki tytanowe o średnicy 1,5 mm przez komorę, zachowując odległość 2 mm od końcówek chwytaka, aby utworzyć kanały pneumatyczne (Rysunek 3A). Uwaga: Użyj jednej walcówki do chwytaka z ramieniem jednodziaławczym.</li>
		<li>Wlej mieszaninę elastomerową do formy, aby całkowicie wypełnić element chwytaka.</li>
		<li>Upewnij się, że nie ma widocznych pęcherzyków powietrza.</li>
		<li>Umieść formę w piekarniku do utwardzania w temperaturze 60 °C na 10 minut. Po utwardzeniu elastomeru wyjmij formę z piekarnika.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Element komory formowania podłączony do kanałów pneumatycznych
	<ol>
		<li>Wyciągnij walcówkę i dwa bloki komory z formy.</li>
		<li>Umieść wydrukowany w 3D blok chwytaka na górze elementu chwytaka, aby utworzyć komorę (Rysunek 3B). Włóż walcówki, aby zablokować otwory w ściance formy.</li>
		<li>Wlej mieszaninę elastomerową do formy, aby wypełnić pozostałą część elementu komory i upewnić się, że w formie nie ma widocznych pęcherzyków powietrza.</li>
		<li>Utwardzaj część w temperaturze 60 °C przez 10 minut. Wyjmij formę z piekarnika po utwardzeniu elastomeru.</li>
		<li>Wyjmij blok chwytaka i wyjmij z formy w pełni utwardzony chwytak o strukturze komory.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uszczelnienie elementu komory wypełnionego powietrzem
	<ol>
		<li>Wlać mieszaninę elastomerową do formy uszczelniającej i utwardzać w temperaturze 60 °C przez 10 min.</li>
		<li>Nałóż warstwę materiału elastomerowego na utwardzoną warstwę uszczelniającą o grubości 2,5 mm. Umieść utwardzony chwytak ze strukturą komory na wierzchu powlekanej warstwy uszczelniającej i połącz ze sobą oba elementy (Rysunek 3C).</li>
		<li>Następnie całkowicie utwardzić całą strukturę w temperaturze 60 °C przez 15 minut.</li>
		<li>Wyjmij z formy w pełni utwardzony miękki chwytak robota.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Wstawienie miękkiego zrobotyzowanego chwytaka pneumatycznego do narzędzia manipulacyjnego
<ol>
	<li>Zaprojektuj narzędzia manipulacyjne zgodnie z opisem w pliku uzupełniającym 1 za pomocą oprogramowania CAD i zapisz je w programie . Plik STL. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono wymiary narzędzi.</li>
	<li>Załaduj plik . STL w drukarce 3D i wydrukuj elementy formy9. 
	Uwaga: Wszystkie etapy drukowania narzędzia do obsługi ręcznej, prostokątnej nasadki i ruchomego tłoka (Rysunek 4) można wykonać w ciągu 3 godzin 48 minut. Czas drukowania narzędzia do obsługi sterowania robotem i prostokątnej nasadki (rysunek 5) wynosi 1 godz. 56 min. Zobacz plik uzupełniający 2, aby uzyskać instrukcje obsługi drukarki 3D.</li>
	<li>Odklej wszelkie materiały podporowe na narzędziach po zakończeniu drukowania. Następnie umyj narzędzia wodą.</li>
	<li>Włóż chwytak do narzędzia do obsługi ręcznej (Rysunek 4A) i zakryj obszar otworu ruchomą prostokątną nasadką (Rysunek 4B).</li>
	<li>Włóż ruchomy tłok (Rysunek 4C), aby ułatwić komorę kompresji.</li>
	<li>Włóż chwytak i siłownik liniowy do narzędzia do obsługi sterowania robotem (Rysunek 5A). Uwaga: Siłownik liniowy zastępuje ruchomy tłok w trybie sterowania ręcznego w celu sprężania komory.</li>
	<li>Zakryj obszar otworu ruchomą prostokątną nasadką (Rysunek 5B).</li>
</ol>
5. Oceny i test ściskania chwytu
<ol>
	<li>Oceń funkcjonalność miękkiego chwytaka, wykonując testy chwytania za pomocą drutu połączeniowego.
	<ol>
		<li>Umieść przewód połączeniowy na stole.</li>
		<li>Wyreguluj chwytak tak, aby drut znajdował się pomiędzy dwoma ramionami chwytaka.</li>
		<li>Przesuń ruchomy tłok, aby ścisnąć komorę, aby uruchomić ramiona chwytaka w celu przytrzymania drutu. 
		Uwaga: W pokazie chwytania używane jest wyłącznie narzędzie do obsługi sterowania ręcznego.</li>
		<li>Przytrzymaj i przenieś drut do pudełka znajdującego się w odległości 20 cm od pierwotnego położenia drutu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść skalibrowany rezystor wykrywający siłę między dwiema szczękami chwytaka. Upewnij się, że szczęki chwytaka chwytają się obszaru wykrywania. Uwaga: Średnica obszaru wykrywania wynosi 14,7 mm.</li>
	<li>Ściśnij komorę, aby uruchomić ramiona chwytaka, aby chwycić rezystor wykrywający siłę.</li>
	<li>Zmierz maksymalne siły ściskające uchwyt, jakie mogą wytworzyć chwytaki pneumatyczne z miękkim ramieniem pojedynczym i podwójnym ramieniem, zgodnie z opisem w 10. 
	Uwaga: Wartości odczytu zostaną wyświetlone na laptopie. Maksymalne siły ściskające chwyt są mierzone w punkcie maksymalnego nacisku, jaki mogą wytrzymać kanały pneumatyczne.</li>
	<li>Wytnij poszczególne elastomerowe szczęki chwytające z miękkiego chwytaka pneumatycznego o podwójnym ramieniu.</li>
	<li>Włóż końcówki kleszczyków do kanałów pneumatycznych elastomerowych szczęk chwytających.</li>
	<li>Umieść skalibrowany rezystor wykrywający siłę między dwiema szczękami kleszczy</li>.
	<li>Zmierz siły ściskające10 generowane przez kleszcze i kleszcze pokryte elastomerem podczas symulowanej operacji nerwów przeprowadzanej przez neurochirurga. 
	Uwaga: Neurochirurg przykłada siłę podobną do tej, którą zwykle przykłada podczas rzeczywistej operacji na rezystorze wykrywającym siłę.</li>
	<li>Uśrednij dane uzyskane z pięciu prób w każdym teście.</li>
</ol>

<ol><li>Tolley, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+resilient%2C+untethered+soft+robot%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Robotics%22%5BJournal%5D)">A resilient, untethered soft robot.</a> Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).</li>
<li>Low, J. H., Delgado-Martinez, I., Yeow, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Customizable+soft+pneumatic+chamber-gripper+devices+for+delicate+surgical+manipulation%5BTitle%5D)+AND+%22ASME+J+Med+Devices%22%5BJournal%5D)">Customizable soft pneumatic chamber-gripper devices for delicate surgical manipulation.</a> ASME J Med Devices. 8 (4), 044504(2014).</li>
<li>Rus, D., Tolley, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design%2C+fabrication+and+control+of+soft+robots%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Design, fabrication and control of soft robots.</a> Nature. 521, 467-475 (2015).</li>
<li>Lee, W. J., Chan, C. P., Wang, B. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+laparoscopic+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Asian+J+Endosc+Surg%22%5BJournal%5D)">Recent advances in laparoscopic surgery.</a> Asian J Endosc Surg. 6 (1), 1-8 (2013).</li>
<li>Schoeller, T., Huemer, G. M., Shafighi, M., Gurunluoqlu, R., Wechselberger, G., Piza-Katzer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microsurgical+repair+of+the+sural+nerve+after+nerve+biopsy+to+avoid+associated+sensory+morbidity%3A+a+preliminary+report%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Microsurgical repair of the sural nerve after nerve biopsy to avoid associated sensory morbidity: a preliminary report.</a> Neurosurgery. 54 (4), 897-900 (2004).</li>
<li>Bamberg, R., Jones, B., Murray, L., Sagstetter, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBamberg%2C+R+%22Laparoscopic+grasper+for+minimally+invasive+laparoscopic+surgery%22">Laparoscopic grasper for minimally invasive laparoscopic surgery</a>. , 
 <a target="_blank" href="
http://homepages.cae.wisc.edu/ ~bme200/grasping_instrument_f06/reports/midsemester_rd.pdf 
">
http://homepages.cae.wisc.edu/ ~bme200/grasping_instrument_f06/reports/midsemester_rd.pdf 
</a> (2006).</li>
<li>Ducic, I., Hill, L., Maher, P., Al-Attar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perioperative+complications+in+patients+undergoing+peripheral+nerve+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Plast+Surg%22%5BJournal%5D)">Perioperative complications in patients undergoing peripheral nerve surgery.</a> Ann Plast Surg. 66 (1), 69-72 (2011).</li>
<li>Shepherd, R. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multigait+soft+robot%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Multigait soft robot.</a> PNAS. 108 (51), 20400-20403 (2011).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Objet+260+Connex+User+Guide%22">Objet 260 Connex User Guide</a>. , 
 <a target="_blank" href="
http://www.objet.com
">
http://www.objet.com
</a> (2016).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Force+Sensing+Resistor+Integration+Guide+%26+Evaluation+Parts+Catalog+with+Suggested+Electrical+Interfaces%22">Force Sensing Resistor Integration Guide & Evaluation Parts Catalog with Suggested Electrical Interfaces</a>. , 
 <a target="_blank" href="
https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf
">
https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf
</a> (2002).</li>
<li>Dagum, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peripheral+nerve+regeneration%2C+repair%2C+and+grafting%5BTitle%5D)+AND+%22J+Hand+Ther%22%5BJournal%5D)">Peripheral nerve regeneration, repair, and grafting.</a> J Hand Ther. 11 (2), 111-117 (1998).</li>
<li>Felippe, M. M., Telles, F. L., Soares, A. C. L., Felippe, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anastomosis+between+median+nerve+and+ulnar+nerve+in+the+forearm%5BTitle%5D)+AND+%22J+Morphol+Sci%22%5BJournal%5D)">Anastomosis between median nerve and ulnar nerve in the forearm.</a> J Morphol Sci. 29 (1), 23-26 (2012).</li>
<li>Rus, D., Tolley, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design%2C+fabrication+and+control+of+soft+robots%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Design, fabrication and control of soft robots.</a> Nature. 521, 467-475 (2015).</li>
<li>Elango, N., Faudzi, A. A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+article%3A+investigations+on+soft+materials+for+soft+robot+manipulations%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Adv+Manuf+Technol%22%5BJournal%5D)">A review article: investigations on soft materials for soft robot manipulations.</a> Int J Adv Manuf Technol. 80 (5), 1027-1037 (2015).</li>
<li>Lu, Y. W., Kim, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microhand+for+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Microhand for biological applications.</a> Appl Phys Lett. 89, 1641011-1641013 (2006).</li>
<li>Rateni, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+development+of+a+soft+robotic+gripper+for+manipulation+in+minimally+invasive+surgery%3A+a+proof+of+concept%5BTitle%5D)+AND+%22Meccanica%22%5BJournal%5D)">Design and development of a soft robotic gripper for manipulation in minimally invasive surgery: a proof of concept.</a> Meccanica. 50 (11), 2855-2863 (2015).</li>
<li>Breger, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-folding+thermo-magnetically+responsive+soft+microgrippers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Inter%22%5BJournal%5D)">Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers.</a> ACS Appl Mater Inter. 7 (5), 3398-3405 (2015).</li>
<li>Zafar, M. S., Al-Samadani, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Potential+use+of+natural+silk+for+bio-dental+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Taibah+Univ+Med+Sci%22%5BJournal%5D)">Potential use of natural silk for bio-dental applications.</a> J Taibah Univ Med Sci. 9 (3), 171-177 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Udało nam się wykazać, że miękkie, zrobotyzowane chwytaki pneumatyczne umożliwiają chwytanie przedmiotów w sposób zgodny z przepisami, co wywiera znacznie mniejsze siły ściskające na chwytany przedmiot niż końcówki kleszczy i kleszcze pokryte elastomerem. Kleszcze są niezbędnym narzędziem do manipulacji nerwami podczas operacji naprawy nerwów obwodowych11, 12. Jednak jego metaliczna struktura wymagała od chirurgów szczególnej ostrożności w użyciu, aby zapobiec uszkodzeniom nerwów spowodowanym nadmiernymi siłam...

Miękkie roboty wzbudziły duże zainteresowanie badawcze w społeczności robotyki i były używane w różnych zadaniach funkcjonalnych, takich jak falowanie w nieustrukturyzowanych środowiskach1i chwytanie2. Składają się głównie z miękkich materiałów elastomerowych i są kontrolowane za pomocą różnych technik uruchamiania dzięki zastosowaniu różnych materiałów, takich jak elektroaktywny polimer (EAP), stop z pamięcią kształtu (SMA) lub sprężony płyn3. EAP działają w oparciu o napięcie różnicowe, które indukuje siły elektrostatyczne w celu wytworzenia aktywnych odkształceń, a tym samym generuje aktywację. Osobliwy efekt pamięci kształtu SMA jest wykorzystywany do generowania pożądanego uruchomienia w oparciu o generowanie siły podczas przemian fazowych po zmianie temperatury. Wreszcie, technika uruchamiania sprężonym płynem ułatwia prostą strategię projektowania w celu wywołania różnicy sztywności w miękkich siłownikach, tak że bardziej podatne obszary będą się napompowywać po zwiększeniu ciśnienia. Miękkie roboty zostały zaprojektowane w celu poszerzenia zastosowań tradycyjnych twardych robotów, zwłaszcza w zastosowaniach, w których zaangażowane są delikatne przedmioty. W szczególności w tym artykule przedstawiamy nasze unikalne podejście do opracowywania miękkich chwytaków robotycznych do delikatnych manipulacji chirurgicznych.
Chirurgiczne chwytanie jest ważnym aspektem w wielu zabiegach chirurgicznych, takich jak operacje wątrobowe, ginekologiczne, urologiczne i naprawy nerwów4, 5. Jest to zwykle wykonywane za pomocą sztywnych, stalowych narzędzi do chwytania tkanek, takich jak kleszcze i chwytaki laparoskopowe, w celu ułatwienia obserwacji, wycinania, procedur zespolenia itp. Należy jednak zachować szczególną ostrożność, ponieważ konwencjonalne narzędzia chwytające są wykonane z metalu, który może powodować obszary o dużej koncentracji naprężeń w tkankach miękkich w punktach styku6. W zależności od stopnia uszkodzenia tkanek mogą wystąpić różne powikłania, takie jak ból, patologiczne tworzenie się tkanki bliznowatej, a nawet trwałe niepełnosprawność. Wcześniejsze badanie wykazało, że odsetek powikłań w chirurgii nerwów obwodowych wynosił 3%7. Dlatego koncepcja miękkiego chwytania, która może zapewnić bezpieczny, zgodny chwyt, może być obiecującym kandydatem do delikatnej manipulacji chirurgicznej.
Tutaj prezentujemy kombinację techniki druku 3D i zmodyfikowanej miękkiej litografii, które przyjęły podejście oparte na prętach, do produkcji konfigurowalnych miękkich robotycznych chwytaków pneumatycznych. Tradycyjna technika wytwarzania miękkich robotów oparta na uruchamianiu sprężonym płynem wymaga formy z nadrukowanymi na niej kanałami pneumatycznymi i procesem uszczelniania w celu uszczelnienia kanałów8. Nie jest to jednak możliwe w przypadku zminiaturyzowanych miękkich robotów, które wymagają małych kanałów pneumatycznych, w których zamknięcie kanałów może łatwo nastąpić w procesie uszczelniania. Tradycyjna technika wymaga, aby uszczelnienie kanałów pneumatycznych odbywało się poprzez przyklejenie do nich powlekanej warstwy uszczelniającej. W związku z tym warstwa materiału elastomerowego, która początkowo służy jako warstwa wiążąca, może rozlać się do maleńkich kanałów i zatkać te kanały. Nie jest również możliwe umieszczenie kanałów pneumatycznych w środku konstrukcji i połączenie z elementem studzienki przy użyciu konwencjonalnych technik. Proponowane podejście pozwala na tworzenie zminiaturyzowanych kanałów pneumatycznych połączonych z komorą wypełnioną powietrzem za pomocą prętów i nie wymaga uszczelniania maleńkich kanałów. Ponadto komora podłączona do kanałów pneumatycznych służy jako źródło powietrza, które nie wymaga zewnętrznych źródeł powietrza do uruchamiania sprężonego płynu. Umożliwia zarówno tryb sterowania ręcznego, jak i zrobotyzowanego, ułatwiając kompresję komory w celu uruchomienia elementu chwytającego, zapewniając w ten sposób użytkownikom możliwość kontrolowania siły, jaką przykładają przez chwytak. Takie podejście jest wysoce konfigurowalne i może być wykorzystywane do wytwarzania różnych typów miękkich chwytaków, takich jak chwytaki z pojedynczym lub wieloma ramionami uruchamianymi.

<table><tbody><tr><td>Waga</td><td>Severin</td><td>KW3667</td><td>(Krok: Przygotowanie elastomerów)</td></tr><tr><td>Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer</td><td>Smooth-On</td><td>EF0030</td><td>(Krok: Przygotowanie elastomerów)</td></tr><tr><td>Planetarny mieszalnik odśrodkowy i pojemniki</td><td>THINKY USA Inc.</td><td>ARE-310</td><td>(Krok: Przygotowanie elastomerów)</td></tr><tr><td>Solidworks CAD</td><td>Dassault Syst&egrave; mes&nbsp;</td><td>Subskrypcja Solidworks Research (</td><td>Krok: Miękkie chwytaki pneumatyczne z pojedynczym/podwójnym ramieniem)</td></tr> <tr><td>Drukarka 3D Objet</td><td>Stratasys</td><td>260 Connex2</td> <td>(Krok: Miękkie chwytaki pneumatyczne z pojedynczym/podwójnym ramieniem)</td></tr> <tr><td>Walcówka tytanowa</td><td>Titan Engineering</td><td>N/A</td> <td>(Krok: Miękkie chwytaki pneumatyczne z pojedynczym/podwójnym ramieniem)</td></tr> <tr><td>Naturalny piec konwekcyjny z timerem</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>BIN#ED53</td> <td>(Krok: Miękkie chwytaki pneumatyczne z pojedynczym / podwójnym ramieniem)</td></tr> <tr><td>Siłownik liniowy</td><td>Firgelli Technologies</td><td>L12</td> <td>(Krok: Włożenie miękkiego zrobotyzowanego chwytaka pneumatycznego do narzędzia manipulacyjnego)</td></tr> <tr><td>Jumper Wire</td><td>sgbotic</td><td>CAB-01146</td> <td>(Krok: Oceny i test ściskania uchwytu)</td></tr> <tr><td>Rezystor wykrywający siłę</td><td>Interlink Electronics</td><td>FSR402</td> <td>(Krok: Oceny i próba ściskania chwytu)</td></tr></tbody></table>

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

Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation

Miękkie chwytanie jest niezbędne w delikatnych manipulacjach chirurgicznych, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia uchwytu tkanek spowodowanego wysoką koncentracją naprężeń w miejscu kontaktu. Można to osiągnąć poprzez uzupełnienie tradycyjnych sztywnych chwytaków miękkimi zrobotyzowanymi chwytakami pneumatycznymi. Ten manuskrypt opisuje podejście oparte na prętach, które łączyło zarówno druk 3D, jak i zmodyfikowaną technikę miękkiej litografii w celu wytworzenia miękkiego chwytaka pneumatycznego. Krótko mówiąc, pneumatyczna forma bez cech z elementem komory jest drukowana w 3D, a pręty zostały użyte do stworzenia kanałów pneumatycznych, które łączą się z komorą. Protokół ten eliminuje ryzyko zatkania kanałów podczas procesu uszczelniania i potrzebę stosowania zewnętrznego źródła powietrza lub powiązanego obwodu sterującego. Miękki chwytak składa się z komory wypełnionej powietrzem i jednego lub więcej ramion chwytaka z kanałem pneumatycznym w każdym ramieniu połączonym z komorą. Kanał pneumatyczny jest umieszczony blisko ściany zewnętrznej, aby uzyskać różną sztywność ramienia chwytaka. Po ściśnięciu komory, która wytwarza nacisk na kanał pneumatyczny, ramię chwytaka wygina się do wewnątrz, tworząc ścisłą pozycję uchwytu, ponieważ zewnętrzna powierzchnia ściany jest bardziej podatna. Miękki chwytak można umieścić w wydrukowanym w 3D narzędziu manipulacyjnym z dwoma różnymi trybami sterowania kompresją komory: tryb chwytaka ręcznego z ruchomym tłokiem i tryb chwytaka robotycznego z siłownikiem liniowym. Chwytak dwuramienny z dwoma uruchamianymi ramionami był w stanie podnosić przedmioty o rozmiarach do 2 mm, a jednocześnie generować mniejsze siły ściskające w porównaniu ze sztywnymi chwytakami pokrytymi elastomerem i niepowlekanymi. Wykazano również możliwość posiadania innych konstrukcji, takich jak chwytak jednoramienny lub hakowy, co jeszcze bardziej podkreśliło możliwość dostosowania miękkiego chwytaka i jego potencjał do wykorzystania w delikatnych manipulacjach chirurgicznych w celu zmniejszenia ryzyka uszkodzenia uchwytu tkankowego.

Miękkie robotyczne chwytaki pneumatyczne były zdolne do podnoszenia obiektów o średnicy do 1,2 mm (Rysunek 6). Maksymalna siła ściskania generowana przez chwytaki miękkie z jednym i dwoma ramionami wykonawczymi wynosiła odpowiednio 0,27 ± 0,07 N oraz 0,79 ± 0,14 N, w porównaniu do sił ściskania wynoszących 1,71 ± 0,16 N i 2,61 ± 0,22 N w symulowanej operacji przy użyciu pęset pokrytych elastomerem i pęset niepokrytych (Rysunek 7). Siły chwytu mogą się róż...

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

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykonanie miękkich chwytaków z wykorzystaniem metody opartej na prętach, w połączeniu z technikami druku 3D i miękkiej litografii. Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów występujących podczas produkcji miękkich chwytaków pneumatycznych, takich jak zatykanie się kanałów w procesie utwardzania oraz integracja komory powietrznej.Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na budowę zminiaturyzowanych kanałów pneumatycznych wewnątrz struktur miękkiego chwytaka, co zapewnia spójne sterowanie. Zastosowanie tej techniki rozciąga się na chirurgię anastomozy nerwów, ponieważ miękki chwytak robotyczny umożliwia delikatną manipulację nerwem bez ryzyka uszkodzeń wynikających ze zbyt mocnego ściskania. Pomysł na tę metodę pojawił się, gdy napotkaliśmy trudności w opracowaniu funkcjonalnego miękkiego chwytaka przy użyciu konwencjonalnego procesu uszczelniania odlewów i zaczęliśmy eksperymentować z cienkimi prętkami w fazie odlewania.Zacznij od odważenia w naczyniu do mieszania równych mas dwóch komponentów materiału elastomerowego. Następnie przykryj naczynie i umieść je w mieszalniku odśrodkowym wraz z masą przeciwwagą. Teraz uruchom 30-sekundowy cykl mieszania z fazą mieszania przy 2000 RPM i fazą odgazowania przy 2200 RPM.Należy oczekiwać, że dokładnie wymieszane składniki utwardzą się teraz równomiernie po odformowaniu. Należy zauważyć, że projektowanie i wykonanie form zostało omówione w protokole tekstowym, a następna sekcja dotyczy ich zastosowania. Proces ten rozpoczyna się od formowania elementów ramienia chwytaka.W pierwszej kolejności wstaw dwa wydrukowane w technologii 3D bloki komory do lewej i prawej strony komponentu komory, aby utworzyć szczelną komorę z podłączonymi do niej kanałami pneumatycznymi. Następnie, w zależności od tego, czy jest to model jedno- lub dwukanałowy, wprowadź przez komorę jeden lub dwa tytanowe pręty o średnicy 1,5 mm. Zachowaj odstęp 2 mm między końcówką chwytaka a prętem, aby utworzyć kanały pneumatyczne.Teraz należy całkowicie wypełnić formę mieszaniną elastomerową, upewniając się, że wewnątrz nie pozostały pęcherzyki powietrza. Następnie utwardzaj formę w temperaturze 60 °C przez 10 minut. Kolejnym krokiem jest wyjęcie drutów oraz dwóch bloków komór z formy.Należy upewnić się, że połączenie między kanałami pneumatycznymi a komorą jest szczelne, ponieważ pozwala to na ściskanie komory w celu uruchomienia ramion chwytaka. Następnie należy umieścić wydrukowany w technologii 3D blok chwytaka na górze komponentu chwytaka, aby utworzyć komorę. W pierwszej kolejności należy włożyć pręty druciane, aby zablokować otwory w ściance formy.Następnie wypełnij formę mieszaniną elastomerową i upewnij się, że w formie nie pozostały widoczne pęcherzyki powietrza. Utwardzaj tę formę przez 10 minut w temperaturze 60 °C. Następnie wyjmij utwardzone elementy z formy, aby zmontować strukturę komory chwytaka.Ostatnim krokiem jest napełnienie szczelnego elementu komory powietrzem. W tym celu należy przygotować 2,5 milimetrową warstwę uszczelniającą, która dopełnia konstrukcję. Napełnij formę mieszaniną elastomerową i utwardzaj ją w temperaturze 60 °C przez 10 minut.Po utwardzeniu nanieś pędzlem warstwę materiału elastomerowego na utwardzoną, 2,5 milimetrową warstwę uszczelniającą. Następnie umieść strukturę komory chwytaka na warstwie uszczelniającej i poczekaj do utworzenia się spoiny, upewniając się, że uszczelnienie jest idealne, tak aby powstała komora wypełniona powietrzem. Teraz utwardzaj całą strukturę przez kolejne 15 minut w temperaturze 60 stopni Celsjusza.Następnie usuń pozostałą formę, aby ukończyć budowę urządzenia. Narzędzie manipulacyjne jest również wykonane z formy, a szczegółowe informacje znajdują się w protokole tekstowym. Włóż chwytak do narzędzia manipulacyjnego i zakryj obszar otworu zdejmowaną prostokątną nakładką.Następnie należy włożyć ruchomy tłok ułatwiający kompresję komory, co pozwoli na stworzenie narzędzia manualnego. Alternatywnie można włożyć chwytak i siłownik liniowy do robotycznego narzędzia manipulacyjnego. W takim przypadku obszar otworu należy przykryć ruchomą prostokątną pokrywą.Aby ocenić funkcjonalność miękkiego chwytaka, należy przetestować go za pomocą przewodu połączeniowego. Ustaw chwytak tak, aby przewód znajdował się pomiędzy dwoma ramionami. Następnie przesuń tłok, aby ścisnąć komorę, co spowoduje uruchomienie ramion chwytaka i uchwycenie przewodu.Przytrzymaj i przesuń drut w odległości co najmniej 20 centymetrów od jego pierwotnego położenia. Zaproponowana technika pokazuje, jak szybko wykonać tanie miękkie chwytaki pneumatyczne. Sama zmiana projektu formy przy użyciu tego samego elastomeru pozwala na stworzenie chwytaków do różnych zastosowań.Przedstawiona konstrukcja jest w stanie chwytać obiekty o średnicy do 1,2 milimetra. W symulowanej operacji maksymalna siła nacisku generowana przez pojedynczy chwytak z działającym ramieniem wyniosła około 0,27 Newtona. W przypadku urządzeń z podwójnym działającym ramieniem wartość ta wyniosła około 0,8 Newtona.W ramach porównania, pęsety z elastomerem i bez elastomeru wykazały siły ścisku wynoszące odpowiednio około 1,7 i 2,6 Newtons. Po opanowaniu techniki, procedura ta może zostać wykonana w ciągu godziny, pod warunkiem właściwego jej przeprowadzenia. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o dokładnym wyrównaniu prętów przed odlewaniem oraz o starannym wykonaniu końcowego uszczelnienia.Po wykonaniu tej procedury gotowy miękki chwytak można przymocować do podstawy tłoka lub narzędzia manipulacyjnego z siłownikiem liniowym, co umożliwi intuicyjne sterowanie chwytaniem. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny miękkiej robotyki do eksploracji konstrukcji urządzeń z chwytakami komorowymi do manipulacji delikatnymi obiektami. Należy pamiętać, że guma silikonowa może stanowić zagrożenie w przypadku połknięcia, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać środków ostrożności, takich jak noszenie rękawiczek.

rod-based-fabrication-customizable-soft-robotic-pneumatic-gripper

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

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

Przedstawiono paradygmat do treningu i analizy zautomatyzowanego zadania umiejętnego sięgania u szczurów. Analiza prób ciągnięcia ujawnia wyraźne podprocesy uczenia się motorycznego.

Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego

Tutaj prezentujemy metodę produkcji miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z ukośnymi komorami. Siłowniki są zdolne do generowania sprzężonych ruchów zginania i skręcania, co rozszerza ich zastosowanie w miękkiej robotyce.

Produkcja miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z komorami skośnymi

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 opisuje metodę szybkiej produkcji miękkich siłowników pneumatycznych i robotów o cienkiej obudowie. Metoda produkcji rozpoczyna się od laminowania arkuszy termoplastycznego poliuretanu (TPU), a następnie cięcia laserowego/spawania dwuwymiarowego wzoru w celu uformowania siłowników i robotów.

Szybka produkcja cienkich, miękkich siłowników pneumatycznych i robotów

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 manuskrypt opisuje strategię druku 4D do produkcji inteligentnych, miękkich robotów reagujących na bodźce. Takie podejście może stanowić podstawę ułatwiającą realizację inteligentnych, miękkich systemów robotycznych z możliwością transformacji kształtu, w tym inteligentnych manipulatorów, elektroniki i systemów opieki zdrowotnej.

Czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce

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

Opisano metody przygotowania wstrzykiwalnego żelu macierzy z tkanki decelularyzowanej oraz jego wstrzykiwania do mięśnia sercowego szczura in vivo.

Wytwarzanie biologicznych materiałów wstrzykiwalnych do inżynierii tkankowej mięśnia sercowego

Sztucznie wytworzona tkanka mięśniowa ma ogromny potencjał w medycynie regeneracyjnej, jako model chorób, a także jako alternatywne źródło mięsa. W niniejszej pracy opisujemy proces tworzenia konstruktu mięśniowego, w tym przypadku z progenitorowych mioblastów mysich, oraz jego stymulację impulsami elektrycznymi.

Inżynieria tkanek mięśni szkieletowych z murynych komórek progenitorowych mioblastów i zastosowanie stymulacji elektrycznej

Poznaj metodę opartą na prętach do produkcji miękkich chwytaków pneumatycznych wykorzystującą druk 3D i litografię miękką. Technika ta umożliwia precyzyjną manipulację tkankami w chirurgii nerwów bez ryzyka uszkodzeń.

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

Przeglądaj więcej filmów