Introduction
Zachte robots veel onderzoek belang in de robotica gemeenschap gewekt en zij zijn gebruikt in verschillende functionele taken zoals golfvormig locomotie in ongestructureerde omgevingen 1 en 2 aangrijpend. Zij bestaan hoofdzakelijk uit zachte elastomeren en gecontroleerd door verschillende technieken bediening door het gebruik van verschillende materialen zoals elektroactieve polymeren (EAP), vormgeheugenlegering (SMA) of gecomprimeerd fluïdum 3. MAP-functie op basis van een differentiële spanning die veroorzaakt elektrostatische krachten actief stammen produceren en daarmee genereert bediening. De eigenaardige vormgeheugen effect van de SMA is ingezet om de gewenste bediening op basis van de troepenmacht tijdens fase transformaties op de verandering in temperatuur te genereren. Tenslotte samengeperst fluïdum bekrachtiging techniek maakt een eenvoudige ontwerpstrategie stijfheid verschil in zachte actuatoren te induceren, zodat de buigzamere regio's opblazenbij het onder druk zetten. Soft robots zijn bedoeld om de toepassingen van traditionele harde robots verbreden, vooral bij toepassingen waarbij delicate objecten worden betrokken. In het bijzonder, in dit artikel, presenteren wij onze unieke aanpak bij het ontwikkelen van soft robotgrijpers voor delicate chirurgische manipulatie.
Chirurgische aangrijpend is een belangrijk aspect betrokken bij vele chirurgische procedures, zoals lever, gynaecologische, urologische en zenuwreparatie operaties 4, 5. Het wordt meestal uitgevoerd door stijve stalen weefsel aangrijpend instrumenten zoals forceps en laparoscopische grijpers voor ter vergemakkelijking observatie, uitsnijding, anastomose procedures, etc. echter, extreme voorzichtigheid is geboden als de conventionele aangrijpende gereedschap zijn gemaakt van metaal dat hoge stress concentratiegebieden kan veroorzaken in het zachte weefsel op de contactpunten 6. Afhankelijk van de ernst van de weefselbeschadigingen, diverse complicaties, zoals pijn, pathologisch littekenweefsel formatie, en zelfs blijvende invaliditeit tot gevolg kan hebben. Een eerdere studie gemeld dat de complicaties in de perifere zenuw operatie was 3% 7. Daarom kan het begrip spannen zonder die veilig compatibel grip kan bieden een veelbelovende kandidaat voor delicate chirurgische manipulatie.
Hier presenteren we een combinatie van 3D-printing en gewijzigd zachte lithografie technieken, die een-rod gebaseerde aanpak, om aanpasbare zachte robotic pneumatische grijpers te fabriceren. Traditionele fabricage techniek van zachte robots op basis van samengeperste vloeistof bediening vereist een mal met pneumatische kanalen op het wordt gedrukt en een afdichting proces om de kanalen 8 af te dichten. Het is echter niet mogelijk voor geminiaturiseerde zachte robots die kleine pneumatische kanalen wanneer occlusie kanalen gemakkelijk kunnen gebeuren in het lasproces nodig. De traditionele techniek vereist de afdichting van de pneumatische kanalen worden gedaan door binding een bekleed afdichtlaag aan. Vandaar de layer van elastomeer materiaal die in eerste instantie dient als hechtlaag kan vloeistof in de kleine kanalen en die kanalen af te sluiten. Het is ook niet mogelijk om de pneumatische kanalen positie in het midden van de structuur en verbinden met een kameronderdeel gebruik van conventionele technieken. De voorgestelde aanpak laat de oprichting van geminiaturiseerde pneumatische kanalen verbonden met een met lucht gevulde kamer met behulp van staven en heeft afdichting van de kleine kanalen niet nodig. Daarnaast is de kamer verbonden met de pneumatische kanalen dienen als een luchtbron die niet vereist buitenlucht bron voor samengeperste fluïdum bediening. Zij kunnen zowel de handmatige besturingsmodi en robotica verbeteren door de kamer druk naar de greepcomponent bedienen, waardoor gebruikers de mogelijkheid van het regelen van de hoeveelheid kracht die ze toepassen door de grijper. Deze benadering is zeer flexibel en kan worden gebruikt om verschillende types van zachte grijper ontwerpen fabriceren zoals grijpers met één of multiple bedienbare wapens.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Opmerking: Alle zachte pneumatische grijpers werden vervaardigd door het gieten op basis van siliconen elastomeer mengsels in op maat gemaakte 3D gedrukte mallen, die een fabricageproces uit drie stappen gevolgd: het vormen van grijper-arm componenten met ingebedde pneumatische kanalen, het gieten van de kamer is verbonden met de pneumatische kanalen en het afdichten van de kamer component gevuld met lucht.
1. Bereiding van Elastomers
- Plaats een container voor mixer op een weegschaal en tarra het. Pour delen A en B van het elastomeer op siliconenbasis in de houder met een 1: 1 gewichtsverhouding.
- Bedek de container en meet het totale gewicht.
- Plaats de houder en materiaal in een centrifugaal mixer. Pas de gewichtsverdeling aan de mixer om het gewicht gemeten in stap 1,2.
- Stel de meng- en ontluchting modi om 2000 rpm en 2200 rpm respectievelijk 30 sec. Meng de elastomeer componenten zorgvuldig tot een uniforme uitharding te bereiken.
Opmerking: De geometrie van de matrijs zal variëren afhankelijk van de specifieke vereisten voor verschillende toepassingen. De volgende stappen illustreren algemene belangrijke stappen in CAD software die nodig zijn om de kamer en grijper deel van de matrijs te creëren.
- Het ontwerp van de mallen en het verzegelen mal met behulp van computer-aided design (CAD) software. Zie Figuur 1 voor de geometrie en de specifieke afmetingen van de mallen die in dit manuscript.
- Ontwerp van de buitengrens box
- Klik met de rechtermuisknop op het bovenvlak en klik op "Normaal om" om te normaliseren tot aan het bovenvlak.
- Klik op 'Sketch' op de linker bovenhoek van een venster "Schets" te openen. Klik vervolgens op de knop "Sketch" op de linkerbovenhoek van de werkbalk om een rechthoekige basis van de kamer component te trekken.
- Klik op de "Smart Dimension 'functie, die is gelegen naast de knop' Sketch ', te sk definiërenetch afmetingen. Zorg ervoor dat de schets volledig wordt gedefinieerd (dat wil zeggen, alle tekenen van lijnen worden zwart) en de sketch af te sluiten als u klaar bent.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Boss / Base "functie om geselecteerde contouren in de Y-richting extruderen.
- Klik op het bovenste oppervlak van het model om de schetsvlak voorselecteren. Schets een rechthoek en de afmetingen definiëren als beschreven in 2.1.1.2 en 2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Cut' functie om extruderen snijden een holte voor het gieten van elastomeren (Figuur 2A). Zorg ervoor dat de wanddikte 2,5 mm.
- Het ontwerp van de binnenkamer
- Klik met de rechtermuisknop op het oppervlak op de Y-richting van de opening gebied. Klik vervolgens op "Normal om" te normaliseren op dat oppervlak.
- Vervolgens klikt u op het venster "Sketch" naar een rechthoek voor Kamer component te tekenen zoals beschreven in stap 2.1.1.2 en2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Boss / Base "functie om de kamer component in de Y-richting (figuur 2B) extruderen.
Opmerking: De diepte van de snede in stap 2.1.1.6 is 2,5 mm groter is dan deze geëxtrudeerde basis.
- Het ontwerp van de grijper component
- Op het oppervlak van het model in negatieve X-richting naar de schetsvlak voorselectie voor grijper component. Maak een rechthoek in het venster 'Sketch', zoals beschreven in de stappen 2.1.1.2 en 2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Boss / Base "functie om de geselecteerde contour in de negatieve X-richting extruderen.
- Op het bovenoppervlak van de grijper component aan de schetsvlak vooraf selecteren. Maak een vorm van grijper in de "Sketch" venster (Figuur 2C) en verlaat de sketch wanneer de afmetingen volledig wordt gedefinieerd als beschreven in de stappen 2.1.1.2 eend 2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Cut "naar een holte te snijden voor het gieten van elastomeren in de grijper component. Zorg ervoor dat de wanddikte 2,5 mm.
- Het ontwerp van de verbinding tussen kamer en grijper
- Maak een rechthoek in het venster "Sketch" op de bovenkant van de kamer werk als beschreven in 2.1.1.2 en 2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Cut "om een verbinding tussen kamer en grijper componenten (figuur 2D) te creëren.
- Het ontwerp van de pneumatische kanalen
- Maak een 1,5 mm diameter cirkels op het oppervlak van de kamer stukje in de positieve X-richting, zoals beschreven in de stappen 2.1.1.2 en 2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Cut "kanalen voor walsdraad inbrengen (figuur 2E) te creëren. Zorg ervoor dat het holes worden niet dwars door de grijper component.
- Ontwerp van de buitengrens box
- In een apart CAD bestand, teken een afdichtende vorm met een holte met een lengte en breedte die 1 mm groter dan de buitenafmetingen van het kameronderdeel van de grijper. Opmerking: De wanddikte 2,5 mm.
- Klik op het venster "Sketch" naar een rechthoek op het bovenvlak te creëren zoals beschreven stappen 2.1.1.2 en 2.1.1.3.
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Boss / Base "functie om geselecteerde contouren in de Y-richting extruderen.
- Klik op de bovenzijde van het model om de schetsvlak voorselecteren. Schets een rechthoek en de afmetingen definiëren zoals beschreven in stap 2.1.1.2 en 2.1.1.3).
- Klik op het venster "Eigenschappen". Klik vervolgens op 'Extruded Cut' functie om extruderen snijden een holte voor het gieten van elastomeren. Zorg ervoor dat de wanddikte 2,5 mm.
- Bewaar elke vorm stuk als een STL-bestand voor 3D-printen. Laad het STL bestand in de 3D-printer met een resolutie van 30 micrometer en print de mal stukken 9.
- Verwijder eventuele ondersteuning materiaal op de mal stukken en was de mal stukken met water.
3. Soft Single / Double-bedienbare Arm Pneumatisch Grijpers
- Molding grijper-arm componenten met ingebouwde pneumatische kanalen
- Plaats twee 3D geprint kamer-blokken aan de linker- en rechterzijde van het kameronderdeel (figuur 3A) om een afgedichte kamer met pneumatische kanalen aangesloten genereren.
- Plaats twee 1,5 mm diameter titanium walsdraad door de kamer, het bijhouden van een 2 mm afstand van de grijper tips om de pneumatische kanalen (figuur 3A) te creëren. Opmerking: Gebruik een walsdraad voor de single-bedienbare arm-grijper.
- Giet het elastomere mengsel in de mal om de grijper component volledig vullen.
- Zorg ervoor dat er geen zichtbare luchtbellen aanwezig.
- Place de mal oven harden bij 60 ° C gedurende 10 minuten. Zodra elastomeer wordt uitgehard, verwijdert de mal uit de oven.
- Molding kamer apparaat aangesloten op de pneumatische kanalen
- Trek de walsdraad en de twee kamer-blokken uit de mal.
- Plaats een 3D-bedrukte grijper-block bovenop de grijper component om de kamer (figuur 3B) te creëren. Steek de walsdraad met de openingen in de wand van de matrijs te blokkeren.
- Giet het elastomere mengsel in de mal om het resterende deel van kameronderdeel opvullen en er geen zichtbare luchtbellen in de matrijs.
- Hard de deel bij een temperatuur van 60 ° C gedurende 10 minuten. Verwijder de mal uit de oven eenmaal elastomeer wordt uitgehard.
- Verwijder de grijper-blok en demold het volledig uitgehard grijper met kamer structuur.
- Afdichten van de kamer component gevuld met lucht
- Giet het mengsel in de elastomere afdichtende vorm engenezen bij 60 ° C gedurende 10 minuten.
- Borstel een laag van elastomeer materiaal op de uitgeharde 2,5 mm afdichtlaag. Plaats de uitgeharde grijper met kamerstructuur bovenop de beklede afdichtlaag en hechten de twee delen aan elkaar (figuur 3C).
- Vervolgens genezen van de gehele constructie volledig bij 60 ° C gedurende 15 minuten.
- Demold het volledig uitgehard zachte gerobotiseerde grijper apparaat.
4. Het inbrengen van Soft Robotic pneumatische grijpinrichting in Handling Tool
- Het ontwerp van de handling instrumenten zoals beschreven in de Aanvullende bestand 1 met behulp van CAD-software en opslaan in STL bestand. Zie Figuren 4 en 5 voor de afmetingen van het gereedschap.
- Laad het STL-bestand in de 3D-printer en de mal stukken 9.
Opmerking: Alle bedrukt stappen voor handbediening hanteren instrument, rechthoekig cap en beweegbare zuiger (figuur 4) kan binnen 3 uur 48 min voltooid. de printing tijd voor het vervaardigen van de robot control hanteren instrument en rechthoekige deksel (figuur 5) is 1 uur 56 min. Zie Aanvullende bestand 2 voor 3D-bewerking van de printer lezen. - Pellen enige steun materiaal op het gereedschap na het afdrukken is voltooid. Vervolgens was het gereedschap met water.
- Plaats de grijper in de handbediening hanteren instrument (Figuur 4A) en dek de opening met een rechthoekige beweegbare dop (figuur 4B).
- Plaats een beweegbare zuiger (figuur 4C) naar kamer compressie vergemakkelijken.
- Plaats de grijper en lineaire actuator in de robot besturing handling gereedschap (figuur 5A). Opmerking: De lineaire actuator vervangt de beweegbare zuiger in de handbediening voor Kamer compressie.
- Bedek de opening met een rechthoekige beweegbare dop (Figuur 5B).
5. Evaluaties en Grip drukproef
- schattende functionaliteit van de zachte grijper door het uitvoeren van proeven vastgrijpen met een hulpdraad.
- Plaats een jumper draad op de tafel.
- Stel de grijper, zodat de draad tussen de beide grijparmen.
- Verplaats de beweegbare zuiger om de kamer te comprimeren om de grijparmen bedienen om de draad te houden.
Opmerking: Alleen de bedieningselementen stapelaars handgereedschap wordt gebruikt in de aangrijpende demonstratie. - Houd en beweeg de draad om een doos zich op 20 cm afstand van de oorspronkelijke locatie draad's.
- Plaats een gekalibreerde kracht aftastweerstand tussen de twee bekken van de grijper. Zorg ervoor dat de grijper kaken grip op de detectiebereik. Noot: De diameter van het detectiebereik is 14,7 mm.
- Druk de kamer naar de grijparmen bedienen om grip te krijgen op de kracht sensing weerstand.
- Meet de maximale grip drukkrachten dat de zachte single-bedienbare-arm en dubbel-bedienbare-arm pneumatische grijpers kunnen genereren, zoals beschreven in 10.
Opmerking: De uitlezing waarden worden weergegeven op een laptop. De maximale grip samendrukkende krachten worden gemeten op het punt van maximale druk die de pneumatische kanalen kunnen weerstaan. - Knip de individuele elastomeer aangrijpende kaken van een zacht double-bedienbare arm pneumatische grijper.
- Plaats de tang tips in de pneumatische kanalen van de elastomere grijpbekken.
- Plaats een gekalibreerde kracht aftastweerstand tussen de twee kaken van de tang.
- Meet de drukkrachten 10 gegenereerd door elastomeer gecoate pincet en een tang tijdens een gesimuleerde zenuw operatie uitgevoerd door een neurochirurg.
Opmerking: De neurochirurg een kracht die vergelijkbaar is met wat hij normaal zijn tijdens de eigenlijke operatie aan de kracht aftastweerstand. - Het gemiddelde van de resultaten van vijf proeven in elke test data.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De zachte robot pneumatische grijpinrichtingen konden oppakken van voorwerpen met afmetingen tot 1,2 mm in diameter (figuur 6). De maximale grip samendrukkende kracht die door de single- bedienbare arm en dubbel- bedienbare arm zachte grijpinrichtingen waren 0,27 ± 0,07 N respectievelijk 0,79 ± 0,14 N, in vergelijking met 1,71 ± 0,16 N en 2,61 ± 0,22 N drukkrachten in gesimuleerde operatie door de elastomeer gecoate forceps en ongestreken tang (Figuur 7). De grip krachten kan variëren naargelang de geometrie van de grijpers en de grootte van de pneumatische kanalen. Het elastomeer materiaaleigenschappen de maximale druk die de pneumatische kanalen kunnen weerstaan, wat op zijn beurt invloed op de grip krachten bepalen. De voorgestelde techniek (figuur 3) toont aan dat een goedkope verwezenlijking van zachte pneumatische grijper snel fabricagetijd mogelijk, eend de functionaliteit van dergelijke grijpers werd geëvalueerd in dit onderzoek. Met de beschreven techniek, kan fabricage van verschillende grijper ontwerpen voor verschillende toepassingen worden bewerkstelligd door het ontwerpen van overeenkomstige mallen voor het gieten van het elastomeer.
Deze resultaten toonden aan dat compatibel aangrijpend, zonder invoering van overmatige spanning op de aangegrepen object is bereikt met de voorgestelde fabricagetechniek. De aanpasbaarheid van de zachte grijparmen liet de armen om te voldoen aan de oppervlakcontour van het object. Het is echter noodzakelijk om te waarborgen dat veilig grijpende niet in gevaar wanneer een compatibele grip bereikt. Een grip die zowel de onderneming en compliant is essentieel voor het vastgrijpen toepassingen vooral in chirurgie. Het resultaat kan verder worden geanalyseerd door proefprogramma muis proeven om de prestaties van zachte grijper evalueren die zenuw van de muis en de mate van schade aan de zenuwen bij onderzoekende zachte grijper wordt gebruikt dan wanneer de tang worden gebruikt.
Figuur 1. 2D CAD tekeningen van de matrijzen voor het vervaardigen van de bovenbouw van het elastomere zachte robot pneumatische grijpinrichtingen: (A) dubbel-bedienbare arm, en (B) bedienbare single-arm (alle maten in mm). De wanddikte 2,5 mm voor alle schimmels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Het creëren van de schimmel in CAD. (A) Extrude sneed een holte voor het gieten van elastomeren. (B) Maak een kamer component in de mold. (C) Maak een holte voor het gieten van elastomeren voor grijper component. (D) Diepte sneed een verbinding tussen kamer en grijper component. (E) Extrude knip twee gaten voor het vasthouden van de walsdraad pneumatische kanalen te creëren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Fabricage werkwijze volgens de zachte dubbele bedienbare arm pneumatische grijper. (A) Plaats tweekamer-blokken en plaats twee walsdraad pneumatische kanalen die zijn verbonden met een kamer te creëren. Giet elastomeer in de vorm en doorharden het aangrijpende onderdeel. (B) Verwijder de walsdraad en kamer-blokken en liep grijper-blok bovenop de grijpende component create kamer. Giet elastomeer in de mal om de kamer component te maken. (C) Bond de grijper structuur en 2,5 mm dikke laag samen om een verzegeld met lucht gevulde ruimte te creëren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. 2D CAD tekeningen van de handling gereedschappen voor handbediening naar kamer compressie te vergemakkelijken (A) Handling gereedschap (B) rechthoekig cap, en (C) beweegbare zuiger (alle afmetingen zijn in mm en de schaal is. 2: 3 tenzij anders aangegeven). klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. 2D CAD tekeningen van de handling tools voor het robotic control mode naar kamer compressie te vergemakkelijken (A) Handling gereedschap, en (B) rechthoekige dop (alle afmetingen zijn in mm en de schaal is 2: 3, tenzij anders aangegeven).. Klik op hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Evaluatie grijpende testen van de voorgestelde grijpinrichtingen. Foto's van het zachte robot (A) één bedienbare arm, en (B) dubbele-arm bedienbare pneumatische grijpinrichtingen voor (links) en na (rechts) het vastgrijpen 1,2 mm diameter draad.
Figuur 7. Pak drukkrachten opgewekt door de twee zachte robot pneumatische grijpinrichtingen, en de twee (elastomeer gecoate en ongecoate) forceps grip drukproef. Een kracht sensing weerstand geplaatst tussen de twee bekken van de grijper / tang en grijper / tangklauwen grip op het detectiebereik van elke test. De foutbalken geven de standaarddeviatie.
Figuur 8. 2D CAD tekeningen van de matrijzen voor het vervaardigen van de bovenstructuur van de zachte robot haak pneumatische grijper. De luchtleiding is dichter bij het bodemoppervlak van de haak greepcomponent geplaatst en opwaarts buigen op druk brengen.
Aanvullende file 1. Ontwerp van het hanteren instrumenten. Stapsgewijze informatie over het ontwerp van de handling gereedschappen betrokken bij CAD-software. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 2. 3D-printer handleiding. Deze handleiding bevat instructies voor het bedienen van de printer. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We hebben met succes aangetoond dat de zachte robot pneumatische grijpinrichtingen toegestaan compatibel grijpen van voorwerpen, die veel lagere drukkrachten uitgeoefend op het aangegrepen object dan de elastomeer gecoate tang tips en tang uitgeoefend. Tang is een essentieel instrument voor de zenuwen manipulatie tijdens de perifere zenuwen reparatie spreekkamers 11, 12. Echter, de metalen structuur vereist uiterste voorzichtigheid in het gebruik van de chirurgen om zenuwschade veroorzaakt door overmatig grijpen krachten en de bijkomende schade aan de omliggende weefsels te voorkomen. Afhankelijk van de ernst van de schade kunnen verschillende complicaties die zich van minder ernstige bijwerkingen, zoals pijn, tot ernstige bijwerkingen, zoals bloedstolsels en zelfs blijvende invaliditeit leiden. Gezien de noodzaak om incidentele schade aan zenuwweefsels tijdens chirurgische manipulatie voorkomen Preliminaire bevindingen wijzen erop dat deze zachte robot pneumatische grijpinrichtingen zijn potentiële geschikte kandidaten vooraanvulling van de bestaande tang tijdens delicate weefsel manipulatie door het verstrekken van de mogelijkheid om compliant grip te bereiken. De siliconen-elastomeer gebruikt bij het fabriceren van het zachte grijper heeft een elasticiteitsmodulus van 0,8 x 10 5 Pa, vergelijkbaar met die van zachte vervormbare menselijke spieren en weefsels 13, 14. Derhalve zal het risico van weefselschade verminderen vergeleken met zijn tegenhanger rigide grijpers.
Van alle beschreven stappen, de meest kritische stappen zijn de positionering van de pneumatische kanalen in de matrijs ontwerp, verwijdering van de ingesloten luchtbellen vóór uithardingsproces en de afdichting van de luchtkamer. De pneumatische kanalen niet te dicht bij de buitenwand van de grijper om te vermijden dat de servomotor breken bij lage drukken worden geplaatst. Eventuele luchtbellen moeten worden weggenomen voordat het genezen, omdat dit zal mogelijke mislukking punten te verwijderen, waardoor uiteindelijk het verbeteren van de prestaties van de grijper.De grijper structuur moet goed gebonden aan de afdichtende laag op een kast die in staat is lucht te slaan zonder lekkage creëren.
Verschillende vervaardigingstechnieken zijn ook voorgesteld om soft micro-actuatoren bouwen voor het grijpen toepassingen 15-17. Bijvoorbeeld, Lu & Kim 15 voorgesteld een microhand gemaakt met drie stappen van zachte lithografie proces. In dit geval is de microhand kan relatief kleine objecten te manipuleren, maar een extern gecomprimeerd stikstofcilinder nodig zijn voor de bediening. Meer recent, Rateni et al. 16 ontwikkelde een soft-kabel gedreven robot grijper waar de zachte vingers werden gemaakt door het gieten van silicone in 3D-gedrukte mallen. In plaats van pneumatische kanalen in het midden van grijperarm, werd de robot grijper aangedreven door een servomotor met kabels verbonden met de vinger. Breger et al. 17 voorgesteld een self-opvouwbare zachte microgrippers gemaakt met sequentiële fotolithografie process. Het fabricageproces en regelschema's betrokken zijn duur en complex. Anderzijds, de voorgestelde fabricageproces is eenvoudig, goedkoop en kan worden voltooid binnen 4 uur, inclusief de tijd voor de 3D-printen van de matrijzen en handling gereedschappen. De zachte grijper bezit fascinerende eigenschappen zoals lage component kosten, waterbestendig en niet corrosief. De minimale complexiteit van het regelen van de zachte grijper toegestaan om te worden gebruikt in verschillende toepassingen grijp- en gemakkelijk door de gebruiker vastgesteld.
Het fabricageproces beschreven in deze studie betrokken hoofdzaak de 3-D printtechnologie en een stang benadering pneumatische kanalen maken. Het toont de mogelijkheid om op maat gemaakte grijper ontwerpen door het variëren van het vormontwerp. Een zachte robot haak pneumatische grijper is gemaakt met behulp van een gemodificeerde vorm met een haak grijpend element en een kameronderdeel (Figuur 8). Het toonde aan dat de grijper ontwerp can gemakkelijk worden gemodificeerd en gefabriceerd tegen lage kosten. Het gebruik van de stang pneumatische kanalen maken liet de fabricage van geminiaturiseerde zachte robotgrijpers. Aangetoond dat deze benadering geschikt is voor het maken van zachte Miniaturisatie robots om occlusie van de kleine pneumatische kanalen gedurende het lasproces op gebruikelijke vervaardigingsproces van zachte robots wordt uitgewerkt. In sommige gevallen wanneer een nieuwe mal eerst wordt gebruikt voor het gieten van het elastomeer, het buitenoppervlak van de uitgeharde grijper kleverig worden. In dat geval moet de grijper in de oven geplaatst voor extra harding tot de kleverigheid van het oppervlak is verdwenen. Bovendien moet ervoor worden gezorgd dat de afdichting goed is en de onderste kamerwand geen belletjes. Merk op dat het gebied waar er twee gaten die door de wand, bestemd voor het inbrengen van het walsdraad, heeft een hogere waarschijnlijkheid dat luchtbellen in vergelijking met de andere regionen. Een extra laag van elastomeer materiaal kan worden aangebracht met een kwast op de randen van de afdichtende laag en bodemwand om de robuustheid van de grijper te verbeteren.
Het unieke kenmerk van de voorgestelde techniek is het idee van het afdrukken van een kameronderdeel op de mal om een met lucht gevulde kamer voor de aansturing creëren nemen. Het kameronderdeel in de zachte robot grijpinrichtingen laat de grip drukkracht wordt gecontroleerd door de druk van de kamer. In vergelijking met buitenlucht bronnen, zoals draagbare pompen, die op grote schaal gebruikt voor de zachte robots worden vastgesteld handbediening controle is bereikt met de aanwezigheid van het kameronderdeel. Het is vooral belangrijk voor chirurgische manipulatie waarbij de chirurgen de voorkeur kunnen werkelijk voelen en regelen de hoeveelheid kracht die ze toepassen. Het voordeel van het kameronderdeel is dat het ook toegestaan de automatische modus van besturing doordat een lineaireaandrijving in de behandeling gereedschappen. Daarom kunnen zowel de handmatige en automatische modus van de controle worden gedaan met de kamer is verbonden met de pneumatische kanalen voor de aansturing. Deze goedkope afneembare zachte robotgrijpers zijn ontworpen voor eenmalig gebruik, zodat er geen behoefte om opnieuw steriliseren voor herhaald gebruik. De handling tools zijn steriliseerbaar en de zachte robotgrijpers gemakkelijk worden ingevoegd vóór de chirurgische manipulatie wordt uitgevoerd. De ontwerpen van deze zachte pneumatische chirurgische grijpinrichtingen verder toestaan dat de inter-wisseling van ander apparaat ontwerpen in één handling tool om verschillende aangrijpende wensen.
Deze techniek heeft een aantal beperkingen worden bekeken. Eerst worden twee verschillende procedures nodig grijpende onderdelen en de kamer componenten fabriceren voor de pneumatische kanalen en kameronderdeel elkaar te verbinden, en een lasproces is vereist voor de kamer. Hoewel het verwijdert het need buitenlucht bronnen, het verhoogt de tijd in het gieten van de zachte robotgrijpers. Ten tweede, de maximale druk die kan worden toegepast op de pneumatische kanalen beperkt door de eigenschappen van het elastomeer. Grotere drukkrachten kunnen worden opgewekt door een stijvere elastomeer of versterken van het elastomeer met vezels om de breuk van de pneumatische kanalen te voorkomen. Bijvoorbeeld, zijdevezels, die op grote schaal worden gebruikt als een chirurgisch hechtmateriaal of steigers door hun biologische compatibiliteit en uitstekende mechanische eigenschappen, kan worden gebruikt om de zachte grijpers 18 te versterken. Afhankelijk van de verschillende toepassingen, wordt elastomeer met hogere stijfheid in het evenwicht tussen compatibele en grip te waarborgen. Bovendien kan een compatibel grijp- en glad contactoppervlak van de grijper voorgestelde veroorzaken slippen optreedt. Echter, aanpasbare contact, een van de belangrijkste intrinsieke eigenschappen van siliconenrubber, kon de grijper te voldoen aan de oppervlakcontour van het object. Wijmening dat deze flexibiliteit indirect verbetert de stabiliteit van aangrijpend. Aanpassing die grip contactvlakken, zoals integratie tanden ontwerp in het contactoppervlak, kan helpen een stabiele greep. Tenslotte, in vergelijking met andere zachte grijpers met drie of meer armen 15-17, de greep prestaties van de voorgestelde twee kaken robot grijper qua stabiliteit minder gunstig.
Deze techniek is zeer schaalbaar, waardoor diverse zachte robotgrijpers variërend van kleine schaal, zoals chirurgische grijpers, tot grote schaal, zoals met de hand grijpers in industriële assemblage-lijnen, kunnen worden vervaardigd. In het bijzonder kunnen verschillende grijpers worden aangepast gebaseerd op het ontwerp van de mallen. Zo kan een hybride zenuw grijper dat zowel de zachte grijpende component en een stijve haak zenuw oprolmechanisme gecombineerd worden voorgesteld voor gebruik bij chirurgische manipulatie. De zachte greepcomponent is ingekapseld in een rechthoekige behuizing en het zal opblazen dichtbij het uiteinde area voor het vasthouden van de zenuw aan de haak retractor wanneer druk wordt uitgeoefend op het kanaal. Het pakt een gemeenschappelijke beperking voor het gebruik van kaken grijper als de kaken hebben de neiging om objecten naar buiten te duwen als ze te sluiten, waarin bepaalde moeilijkheden bij het grijpen poses. Het zal nuttig zijn om scheppen de zenuwen en geven daarna een compliant grip, terwijl de zachte bekken grijpers kon alleen grip en pick-up objecten die nog niet in contact komen met oppervlakken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Het onderzoek werd gesteund door de R-397-000-204-133 (National University of Singapore Young Investigator Award).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Weighing Scale | Severin | KW3667 | (Step: Preparation of elastomers) |
| Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer | Smooth-On | EF0030 | (Step: Preparation of elastomers) |
| Planetary Centrifugal Mixer and Containers | THINKY USA Inc. | ARE-310 | (Step: Preparation of elastomers) |
| Solidworks CAD | Dassault Systèmes | Solidworks Research Subscription | (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers) |
| Objet 3D Printer | Stratasys | 260 Connex2 | (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers) |
| Titanium Wire Rods | Titan Engineering | N/A | (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers) |
| Natural Convection Oven with Timer | Thermo Fisher Scientific | BIN#ED53 | (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers) |
| Linear Actuator | Firgelli Technologies | L12 | (Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool) |
| Jumper Wire | sgbotic | CAB-01146 | (Step: Evaluations and grip compressive test) |
| Force Sensing Resistor | Interlink Electronics | FSR402 | (Step: Evaluations and grip compressive test) |
References
- Tolley, M. T., et al. A resilient, untethered soft robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
- Low, J. H., Delgado-Martinez, I., Yeow, C. H. Customizable soft pneumatic chamber-gripper devices for delicate surgical manipulation. ASME J Med Devices. 8 (4), 044504 (2014).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
- Lee, W. J., Chan, C. P., Wang, B. Y. Recent advances in laparoscopic surgery. Asian J Endosc Surg. 6 (1), 1-8 (2013).
- Schoeller, T., Huemer, G. M., Shafighi, M., Gurunluoqlu, R., Wechselberger, G., Piza-Katzer, H. Microsurgical repair of the sural nerve after nerve biopsy to avoid associated sensory morbidity: a preliminary report. Neurosurgery. 54 (4), 897-900 (2004).
- Bamberg, R., Jones, B., Murray, L., Sagstetter, A. Laparoscopic grasper for minimally invasive laparoscopic surgery. , http://homepages.cae.wisc.edu/ ~bme200/grasping_instrument_f06/reports/midsemester_rd.pdf (2006).
- Ducic, I., Hill, L., Maher, P., Al-Attar, A. Perioperative complications in patients undergoing peripheral nerve surgery. Ann Plast Surg. 66 (1), 69-72 (2011).
- Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. PNAS. 108 (51), 20400-20403 (2011).
- Objet 260 Connex User Guide. , http://www.objet.com (2016).
- Force Sensing Resistor Integration Guide & Evaluation Parts Catalog with Suggested Electrical Interfaces. , https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf (2002).
- Dagum, A. B. Peripheral nerve regeneration, repair, and grafting. J Hand Ther. 11 (2), 111-117 (1998).
- Felippe, M. M., Telles, F. L., Soares, A. C. L., Felippe, F. M. Anastomosis between median nerve and ulnar nerve in the forearm. J Morphol Sci. 29 (1), 23-26 (2012).
- Rus, D., Tolley, M. D. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
- Elango, N., Faudzi, A. A. M. A review article: investigations on soft materials for soft robot manipulations. Int J Adv Manuf Technol. 80 (5), 1027-1037 (2015).
- Lu, Y. W., Kim, C. J. Microhand for biological applications. Appl Phys Lett. 89, 1641011-1641013 (2006).
- Rateni, G., et al. Design and development of a soft robotic gripper for manipulation in minimally invasive surgery: a proof of concept. Meccanica. 50 (11), 2855-2863 (2015).
- Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Appl Mater Inter. 7 (5), 3398-3405 (2015).
- Zafar, M. S., Al-Samadani, K. H. Potential use of natural silk for bio-dental applications. J Taibah Univ Med Sci. 9 (3), 171-177 (2014).
