Дизайн и изготовление из группы эластомерных для мягкой модульных роботов в минимально инвазивной хирургии

Общая цель данного протокола — изготовление мягкого модуля для интеграции в мультимодальный манипулятор, предназначенный для использования в малоинвазивной хирургии. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области мягкой робототехники, демонстрируя способы оптимизации процедуры изготовления мягкого манипулятора с высокой степенью подвижности и возможностью повышения жесткости. Основным преимуществом данной методики является ее высокая скорость и низкая стоимость.

Кроме того, конечный продукт может быть реплицирован для создания мультимодальной архитектуры, повышающей эффективность манипулятора. Как правило, люди, которые только начинают осваивать данный метод, сталкиваются с трудностями, поскольку силиконовые модули сложной формы обычно требуют многоэтапной процедуры полимеризации, а оптимизация часто занимает много времени. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как этапы изготовления внешней оболочки сложно освоить, поскольку они основаны на коммерческой заготовке оболочки, которая была полностью модифицирована для конечных целей.

Процедуру продемонстрируют Джада Бон, аспирант, и Маргарита Бланко, лаборант-исследователь из моей лаборатории. Добавьте 12 граммов компонента A и 12 граммов компонента B в одну чашку Петри и перемешайте их для приготовления силикона. Затем поместите смешанный силикон в DGAs под вакуумное давление 1 бар.

Держите материал под вакуумом до полного удаления всех пузырьков из силикона. Обычно это занимает около 10 минут. Как только пузырьки полностью исчезнут, снимите вакуум и извлеките силикон, который теперь готов к использованию. Соберите форму, сначала вставив укрепляющий цилиндр и верхнюю часть камер в колпачок A, а затем закрыв вокруг них оболочки.

Залейте силикон в собранную форму до краев оболочек. Установите температуру духовки на 60 °C и поместите заполненную форму в духовку. Оставьте силикон для отверждения примерно на 30 минут.

Снимите внешние формы и колпачок A с отвердевшего силикона. Затем вставьте силиконовые модули вместе с основанием камер и укрепляющим цилиндром внутрь колпачка B. Снова закройте формы вокруг модуля, сдвинув их на 10 мм вверх, чтобы между верхней поверхностью модуля и краями форм образовался зазор в 10 мм. Залейте дополнительный силикон в переставленную форму до верхнего края форм.

Отверждайте свежезалитый силикон в печи при 60 °C примерно в течение 30 минут. Снимите колпачок B внешних оболочек и удалите содержимое всех камер, кроме укрепляющего цилиндра. Отрежьте силиконовые трубки диаметром 3 мм длиной около 30 см.

Нанесите силиконовый клей на внешнюю поверхность одного конца каждой трубки на первые 10 мм. Затем вставьте трубки в специализированные каналы диаметром 2 мм в силиконовом блоке.

Дайте клею затвердеть в течение 12 минут. При комнатной температуре отрежьте 70 сантиметров расширяемой плетёной оплётки, затем вставьте в неё металлический цилиндр диаметром 3 сантиметра и длиной 25 сантиметров. Далее плотно прижмите и натяните оплётку на цилиндр, чтобы создать зажимы.

Механически зафиксируйте оболочку зажимом и прогрейте ее с помощью строительного фена при температуре 350 °C в течение двух-трех минут. Чтобы добиться постоянной деформации, дайте оболочке остыть до комнатной температуры, после чего извлеките внутренний цилиндр. Проденьте трубки из силиконового блока через отверстия колпачка C. Затем залейте в колпачок C три грамма силикона DGA и вставьте нижнюю часть предварительно изготовленного модуля в колпачок C. Надев обжатую оболочку на модуль, задвиньте первые обжимки внутрь колпачка C и погрузите их в свежезалитый силикон.

Установите температуру духовки на 60 °C и поместите туда образец примерно на 20 минут. После отверждения силикона повторите этот процесс с другой стороны, используя колпачок D для фиксации оболочки сверху. После того как силикон в верхней части также отвердеет, снимите колпачок C и колпачок D с нижней и верхней частей модуля соответственно.

Наконец, извлеките укрепляющий цилиндр из всего силиконового блока. Налейте несколько граммов жидкого латекса в пластиковый стакан и погрузите цилиндр для мембраны в жидкий латекс до полного покрытия поверхности. Затем извлеките его из латекса и дайте мембране высохнуть под вытяжкой в течение 20 минут.

Затем сформируйте второй слой, снова погрузив мембрану в латекс и дав ей высохнуть еще в течение 20 минут. После высыхания извлеките мембрану из формы. Отрежьте трубку диаметром 2 мм длиной 30 см.

Затем возьмите кусочек нейлоновой ткани размером 10 миллиметров на 10 миллиметров и с помощью суперклея закройте один конец трубки этой тканью. Далее взвесьте около четырех грамм гранулированного кофе и максимально заполните мембрану этим порошком. Вставьте отфильтрованный конец трубки внутрь заполненной мембраны и закрепите её вокруг трубки.

Используя пластиковую пленку, создайте вакуум с другой стороны трубки, чтобы зафиксировать мембрану, а затем вставьте мембрану в пустой центральный канал силиконового модуля. Далее приклейте края зафиксированной мембраны к силиконовому модулю. Закройте кольцо вокруг нижней части модуля.

Налейте немного свежего силикона в кольцо, чтобы выровнять поверхность, и дайте силикону высохнуть под вытяжкой. В завершение снимите кольца и повторите процедуру для верхней стороны модуля. При одновременном воздействии на все три камеры с одинаковым давлением модуль удлиняется: начиная с длины 50 мм при 0 бар, модуль достигает 83,3 мм при давлении 0,65 бар, что соответствует удлинению на 33,3 мм, или примерно 66%. Использование только одной или двух камер приведет к изгибу установки.

Модуль способен изгибаться на угол до 120 градусов при изгибе одной камеры и до 80 градусов при изгибе двух камер. В обоих случаях значительный изгиб начинается при наполнении камер воздухом до давления примерно 0.3 bar. Модуль способен создавать усилия от 24.1 Newtons при активации одной камеры до 47.1 newtons при наполнении трех камер.

При должном навыке эта процедура может быть выполнена за четыре часа при условии правильного соблюдения методики. Данный метод открывает перед исследователями в области мягкой робототехники возможности изучения сочетания флюидных технологий, механизмов актуации и технологий регулируемой жесткости для мягких структур. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как управлять процессом формования мягких материалов и как интегрировать гибкие 3D-калькуляторы с механизмом регулируемой жесткости.

Не забывайте, что работа с силиконом и латексом может быть опасной, поэтому при выполнении данной процедуры следует всегда соблюдать меры предосторожности, такие как работа в вытяжном шкафу и использование перчаток.