Projeto e fabricação de uma Unidade de elastômero para robôs modulares moles em Cirurgia Minimamente Invasiva

O objetivo geral deste protocolo é fabricar uma unidade flexível para ser integrada a um manipulador multimodal destinado ao uso em cirurgia minimamente invasiva. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área da robótica flexível, demonstrando como otimizar o procedimento de fabricação de um manipulador flexível com alta destreza e capacidade de rigidificação. A principal vantagem desta técnica é que ela é muito rápida e de baixo custo.

Além disso, o produto final pode ser replicado para produzir uma arquitetura multimodal que melhora o desempenho do manipulador. Em geral, indivíduos novos neste método enfrentarão dificuldades, pois módulos de silicone com formas complexas normalmente exigem um procedimento de publicação em múltiplas fases, no qual a otimização é frequentemente demorada. A demonstração visual deste método é essencial, já que os passos de fabricação de deslocamento externo são difíceis de aprender, por serem baseados em um deslocamento brilhante comercial que é completamente modificado para o objetivo final.

Quem demonstrará o procedimento será Jada Bon, estudante de doutorado, e Margarita Blanco, assistente de pesquisa do meu laboratório. Adicione 12 gramas da parte A e 12 gramas da parte B no mesmo recipiente de Petri e misture-os para preparar a silicone. Em seguida, coloque a silicone misturada em um DGAs sob uma pressão de vácuo de um bar.

Mantenha o material sob vácuo até que todas as bolhas tenham sido removidas do material de silicone. Isso geralmente leva cerca de 10 minutos. Uma vez que os materiais estejam completamente livres da presença de bolhas, libere o vácuo e remova o silicone, que agora está pronto para uso. Monte o molde inserindo primeiro o cilindro de rigidez e a parte superior das câmaras na tampa A e, em seguida, fechando as conchas ao redor dele.

Despeje a silicone dentro do molde montado até a borda das conchas. Ajuste o forno para uma temperatura de 60 graus Celsius e coloque o molde preenchido no forno. Deixe a silicone curar por aproximadamente 30 minutos.

Remova as conchas externas e a tampa A da silicone curada. Em seguida, insira os módulos de silicone a partir da base das câmaras e o cilindro de reforço dentro da tampa B. Feche novamente as conchas ao redor do módulo, deslizando-as 10 milímetros para cima, de modo a deixar uma folga de 10 milímetros entre a superfície superior do módulo e as bordas das conchas. Despeje silicone adicional dentro do molde reorganizado até a borda das conchas no lado superior.

Deixe a silicone recém-despejada curar em forno a 60 graus Celsius por cerca de 30 minutos. Remova a tampa externa B e todas as câmaras, exceto o cilindro de reforço. Corte tubos de silicone de três milímetros de diâmetro em comprimentos de cerca de 30 centímetros.

Coloque cola de silicone ao redor da parte externa de uma das extremidades de cada tubo, nos primeiros 10 milímetros. Em seguida, insira os tubos nos canais dedicados de dois milímetros na unidade de silicone.

Deixe a cola curar por 12 minutos. À temperatura ambiente, corte 70 centímetros de uma bainha trançada expansível e, em seguida, insira um cilindro metálico de três centímetros de diâmetro e 25 centímetros de comprimento dentro da bainha. Em seguida, empurre para baixo e force a bainha sobre o cilindro para criar dobras.

Mecanicamente, fixe a bainha no lugar com um grampo e aqueça-a com uma pistola de calor a 350 graus Celsius por dois a três minutos. Para obter uma deformação permanente, deixe a bainha esfriar até a temperatura ambiente e, em seguida, remova o cilindro interno. Passe os tubos da unidade de silicone pelos orifícios da tampa C. Em seguida, despeje três gramas do silicone DGA na tampa C e deslize o lado inferior do módulo previamente fabricado para dentro da tampa C. Deslize a bainha prensada ao redor do módulo e empurre os primeiros prensamentos para dentro da tampa C, mergulhando-os no silicone recém-despejado.

Configure o forno em uma temperatura de 60 graus Celsius e coloque a amostra por cerca de 20 minutos. Após a cura da silicone, repita o mesmo processo no outro lado utilizando a tampa D para fixar a bainha no lado superior. Após a cura da silicone também no lado superior, remova ambas as tampas C e D, respectivamente, da parte inferior e da parte superior do módulo.

Por fim, remova o cilindro de reforço de toda a unidade de silicone. Despeje alguns gramas de látex líquido em um copo plástico e mergulhe o cilindro para a membrana dentro do látex líquido até que a superfície esteja completamente coberta. Em seguida, retire-o do látex e deixe a membrana secar sob a capela por 20 minutos.

Em seguida, forme uma segunda camada imergindo-a novamente no látex e deixando secar por mais 20 minutos. Após a secagem, remova a membrana do molde. Corte um tubo com diâmetro de dois milímetros para um comprimento de 30 centímetros.

Em seguida, pegue um pedaço de tecido de náilon de 10 milímetros por 10 milímetros e feche uma extremidade do tubo com este tecido usando cola instantânea. Depois, pese cerca de quatro gramas de café moído e encha ao máximo a membrana com o pó. Insira a extremidade filtrada do tubo dentro da membrana preenchida e fixe-a ao redor do tubo.

Usando um filme plástico, aplique um vácuo no outro lado do tubo para rigidizar a membrana e, em seguida, insira a membrana dentro do canal central vazio do módulo de silicone. Em seguida, cole as extremidades da membrana de rigidização ao módulo de silicone. Feche o anel ao redor da face inferior do módulo.

Despeje um pouco de silicone novo no anel para nivelar a superfície e deixe o silicone secar sob uma capela. Por fim, remova os anéis e repita o procedimento para o lado superior do módulo. Quando todas as três câmaras são acionadas simultaneamente com a mesma pressão, o módulo se alonga a partir do comprimento de 50 milímetros a zero bar; com 0,65 bar de pressão, o módulo atinge 83,3 milímetros, o que corresponde a um alongamento de 33,3 milímetros, cerca de 66%. O uso de apenas uma ou duas das câmaras fará com que o conjunto se curve.

O módulo é capaz de se curvar até 120 graus no caso de flexão com uma câmara e até 80 graus na flexão com duas câmaras. Em ambos os casos, uma flexão significativa começa quando as câmaras são infladas com cerca de 0,3 bar. O módulo é capaz de gerar forças de 24,1 newtons quando uma câmara é acionada até 47,1 newtons quando três câmaras são infladas.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser realizada em quatro horas, se executada corretamente. Este método abre caminho para que pesquisadores da área de robótica flexível explorem a combinação entre tecnologias fluidas, atuação e rigidez variável para estruturas macias. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como gerenciar a moldagem de materiais moles e como integrar calculadoras 3D flexíveis a um mecanismo de rigidez variável.

Não se esqueça de que trabalhar com silicone pode ser realmente perigoso ao usar látex, e precauções, como trabalhar sob capela de exaustão e usar luvas, devem sempre ser tomadas ao realizar este procedimento.