Род основе Изготовление настраиваемыми Soft роботизированных захватных Пневматические устройства для деликатной ткани манипулированию
2 августа 2016 г.
Этот протокол описывает подход на основе стержней, сочетающий в себе методы 3D-печати и мягкой литографии для изготовления устройств с мягким захватом. Такой подход устраняет необходимость во внешнем источнике воздуха за счет включения компонента камеры и снижает вероятность окклюзии в процессе герметизации, особенно для миниатюрных пневматических каналов.
Общая цель этой процедуры заключается в изготовлении мягких захватных устройств с использованием стержневого подхода. В сочетании с 3D-печатью и техникой мягкой литографии. Этот метод может помочь решить ключевые проблемы, возникающие при изготовлении мягких пневматических захватов, такие как окклюзия канала в процессе схватывания и встраивание воздушной камеры.
Основное преимущество этой технологии заключается в том, что она позволяет нам создавать миниатюрные пневматические каналы внутри мягких конструкций захвата для обеспечения равномерного срабатывания. Применение этого метода распространяется на хирургию нервного анастомоза, потому что мягкий роботизированный захват позволяет проводить тонкие манипуляции с нервами без чрезмерного повреждения захвата. Впервые идея этого метода возникла у нас, когда мы столкнулись с трудностями разработки функционального мягкого захвата с использованием традиционного процесса литейного уплотнения и начали экспериментировать с тонкими стержнями на этапе литья.
Начните с взвешивания равной массы двух составляющих материалов для эластомера в смесительной емкости. Затем накройте емкость крышкой и загрузите ее в центробежный миксер вместе с балансировочной массой. Теперь запустите 30-секундный цикл смешивания с фазой смешивания при 2000 об/мин и фазой деаэрации при 2200 об/мин.
Ожидайте, что тщательно перемешанные компоненты теперь будут равномерно затвердевать при формовании. Обратите внимание, что проектирование и производство пресс-форм описано в текстовом протоколе, а следующий раздел посвящен их использованию. Этот процесс начинается с формовки компонентов захвата.
Во-первых, вставьте два напечатанных на 3D-принтере блока камеры в левую и правую стороны компонента камеры, чтобы создать герметичную камеру с подключенными к ней пневматическими каналами. Далее вставьте через камеру одну или две титановые проволоки диаметром 1,5 миллиметра, в зависимости от того, одноканальная это модель или двухканальная. Оставьте расстояние в два миллиметра между наконечником захвата и штангой для создания пневматических каналов.
Теперь полностью загрузите форму эластомерной смесью, следя за тем, чтобы в ней не задерживались пузырьки воздуха. Затем отверждайте форму при температуре 60 градусов Цельсия в течение 10 минут. Следующим шагом является вытаскивание проволочных прутков и двухкамерных блоков из формы.
Убедитесь, что соединение между пневматическими каналами и камерой хорошо налажено, так как это позволяет сжатию камеры приводить в действие захватные рычаги. Теперь поместите напечатанный на 3D-принтере блок захвата поверх компонента захвата, чтобы создать камеру. Сначала вставьте катанки, чтобы перекрыть отверстия в стенке формы.
Затем заполните форму эластомерной смесью и убедитесь, что в форме нет видимых пузырьков воздуха. Высушите эту форму в течение 10 минут при температуре 60 градусов Цельсия. Затем извлеките отвержденные компоненты из формы, чтобы собрать конструкцию камеры захвата.
Заключительным этапом является заполнение герметичного компонента камеры воздухом. Для этого изготавливают уплотнительный слой толщиной 2,5 миллиметра, который завершает сборку. Заполните форму эластомерной смесью и затвердейте при температуре 60 градусов Цельсия в течение 10 минут.
После отверждения нанесите слой эластомерного материала на отвержденный 2,5-миллиметровый герметизирующий слой. Затем поместите конструкцию камеры захвата на уплотнительный слой и дайте склеиванию сформироваться, убедившись, что уплотнение идеально, таким образом, создается заполненная воздухом камера. Теперь высушите всю конструкцию еще 15 минут при температуре 60 градусов по Цельсию.
Затем удалите оставшуюся форму, чтобы завершить устройство. Погрузочно-разгрузочный инструмент также изготавливается из пресс-формы, а детали есть в текстовом протоколе. Вставьте захват в инструмент для манипулирования и закройте область открытия съемным прямоугольным колпачком.
Затем вставьте подвижный поршень для облегчения сжатия камеры, что завершает ручной инструмент. В качестве альтернативы можно вставить захват и линейный привод в роботизированный манипулятор. В этом случае накройте место проема подвижным прямоугольным колпачком.
Чтобы оценить функциональность мягкого захвата, протестируйте его с помощью перемычки. Отрегулируйте захват так, чтобы проволока оказалась между двумя рычагами. Затем переместите поршень, чтобы сжать камеру, которая приводит в действие захватные рычаги для удержания проволоки.
Удерживайте и перемещайте провод на расстоянии не менее 20 сантиметров от исходного места расположения провода. Предложенная методика демонстрирует, как можно быстро изготовить недорогие мягкие пневматические захваты. Простое изменение конструкции пресс-формы и использование одного и того же эластомера позволяет создавать захваты для различных областей применения.
Представленная здесь конструкция способна подхватывать объекты с размерами до 1,2 миллиметра в диаметре. При моделировании хирургического вмешательства максимальная сжимающая сила, создаваемая одним приводимым в действие захватом руки, составляла около 0,27 Ньютона. Устройства с двойным приводом имели значение около 0,8 Ньютона.
Для сравнения, щипцы с эластомером и без него имели усилие захвата около 1,7 и 2,6 Ньютонов соответственно. После освоения этой техники ее можно сделать за час, если она выполнена правильно. При попытке выполнить эту процедуру не менее важно помнить о том, что стержни должны быть надежно выровнены перед забросом и тщательно выполнить окончательную герметизацию.
После этой процедуры готовый мягкий захват можно прикрепить к основанию поршня или основанию линейного привода, чтобы обеспечить интуитивно понятное управление захватом. После своего развития этот метод проложил путь исследователям в области мягкой робототехники к изучению конструкции камерных захватных устройств для манипулирования тонкими объектами. Не забывайте, что силиконовая резина может представлять опасность для проглатывания, и при выполнении этой процедуры всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как ношение перчаток.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе описывается стержневой подход к изготовлению мягких захватных устройств с использованием методов 3D-печати и мягкой литографии. Этот метод позволяет решить основные проблемы изготовления, такие как закупорка каналов и необходимость во внешнем источнике воздуха.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Мягкая робототехника
- Биомедицинская инженерия
Теоретическая справка
- Мягкие захваты имеют важное значение для выполнения деликатных манипуляций в ходе хирургических процедур.
- Традиционные методы сталкиваются с такими проблемами, как окклюзия при герметизации.
- Миниатюризация пневматических каналов имеет решающее значение для эффективного приведения в действие.
- В данном исследовании изучаются инновационные методы изготовления, позволяющие преодолеть эти трудности.
Цель исследования
- Разработать надежный метод создания устройств мягкого захвата.
- Расширить функциональные возможности мягких захватов при проведении операций по анастомозу нервов.
- Минимизировать риск повреждения тканей при выполнении деликатных манипуляций с нервами.
Используемые методы
- Подход на основе стержней для изготовления устройства.
- Сочетание методов 3D-печати и мягкой литографии.
- Интеграция воздушной камеры для исключения необходимости во внешнем источнике воздуха.
- Акцент на миниатюрных пневматических каналах для обеспечения стабильного срабатывания.
Основные результаты
- Новый метод успешно снижает окклюзию каналов.
- Мягкие захваты продемонстрировали улучшенные характеристики при манипуляциях с нервами.
- Миниатюризированные каналы обеспечили более точное срабатывание.
- Данный подход является перспективным для более широкого применения в мягкой робототехнике.
Выводы
- Данный протокол предлагает новое решение для изготовления мягкого захвата.
- Он решает значительные проблемы в области мягкой робототехники.
- Данный метод имеет потенциальное применение в хирургии.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Мягкие роботизированные захваты удовлетворяют критическую потребность в точном манипулировании тканями с малым усилием в доклинических и трансляционных исследованиях, снижая риск повреждения образцов при проведении деликатных биологических анализов. Данный метод изготовления на основе стержней позволяет осуществлять быстрое и недорогое прототипирование настраиваемых пневматических актуаторов, поддерживая итеративный дизайн в рабочих процессах ранней валидации мишеней и фенотипического скрининга. Благодаря устранению закупоривания каналов и зависимости от внешних источников воздуха, эта методика повышает воспроизводимость и масштабируемость для условий корпоративных исследований и разработок (R&D), сосредоточенных на изучении механобиологии и систем доставки лекарств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проводить функциональную проверку терапевтических гипотез посредством контролируемой механической стимуляции деликатных тканей или органоидов с применением малых усилий.
- Практическая ценность: обеспечивает возможность быстрого прототипирования захватов с индивидуальной геометрией для соответствия различным размерам биологических образцов и их степени хрупкости.
- Прогностическая ценность: снижает количество ложноотрицательных результатов при валидации мишеней за счет минимизации артефактного повреждения тканей во время манипуляций с образцами.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Обеспечивает стандартизированные, приводимые в действие интерфейсы для позиционирования микромасштабных биосенсоров или зондов в форматах высокопроизводительного скрининга.
- Практическая ценность: Обеспечивает стабильный пневматический привод через миниатюрные каналы, снижая вариабельность результатов при скрининге соединений.
- Масштабируемость: Облегчает параллельную разработку анализов за счет репликации захватных устройств с помощью форм для многолуночных платформ.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная непрерывность: обеспечивает связь между механическим фенотипированием на этапе поиска и доклиническими моделями, требующими точных манипуляций с тканями, такими как анастомоз нервов или сосудистые исследования.
- Механистическое снижение рисков: позволяет оценивать влияние соединений на целостность тканей в условиях контролируемого биомеханического стресса, что повышает прогностическую уверенность при оптимизации ведущих соединений.
- Релевантная заболеванию система: поддерживает разработку физиологически значимых моделей ex vivo, в которых бережное обращение позволяет сохранить нативную архитектуру и функцию тканей.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Этот метод интегрируется в процесс поиска новых лекарственных средств, обеспечивая надежную подготовку образцов для последующего анализа: от ранних тестов по изучению взаимодействия с мишенью до доклинических исследований эффективности, требующих осторожного обращения с тканями.
- Открывающая биология: Обеспечивает проверку гипотез посредством точного механического воздействия на биологические системы без возникновения побочных повреждающих ответов.
- Скрининг: Повышает готовность анализа за счет воспроизводимого пневматического привода без окклюзии для согласованного позиционирования образцов в автоматизированных рабочих процессах.
- Аналитика: Обеспечивает количественное считывание силы и смещения, которые коррелируют с реакцией ткани, что позволяет принимать обоснованные данные решения о продолжении или прекращении исследования.
- Трансляционные исследования: Связывает раннее механическое фенотипирование с доклинической валидацией за счет сохранения жизнеспособности тканей на этапах манипуляций.
- Корпоративное повторное использование: Позиционирует протокол изготовления как многоразовую платформенную технологию, адаптируемую для различных проектов и терапевтических областей.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность валидации мишеней за счет снижения количества механических артефактов при анализе хрупких тканей.
- Операционная ценность: увеличивает пропускную способность и воспроизводимость благодаря стандартизированному изготовлению с использованием форм и исключению внешнего управления подачей газа.
- Стратегическая ценность: снижает затраты на прототипирование и ускоряет итерации проектирования специализированных манипуляторов в проектах на ранних стадиях.
- Влияние на портфель: обеспечивает продвижение с учетом рисков, гарантируя целостность образцов на этапах механистического и фенотипического скрининга.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с мягкой литографией, 3D-печатью и эластомерами для подготовки и отверждения форм.
- Необходим доступ к центробежным смесителям, прецизионным формам и оборудованию для термического отверждения при 60°C.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов выравнивания стержней и герметизации для обеспечения целостности камеры и стабильного срабатывания.
- Необходимо учитывать особенности адаптации при изменении количества рычагов захвата или геометрии каналов для различных типов тканей или размеров образцов.
- Существуют практические ограничения, такие как чувствительность к точности ручного выравнивания и необходимость осторожного извлечения из формы во избежание повреждения каналов.
