Introduction
Bløde robotter har udløst store forskningsmæssige interesse inden for robotteknologi samfund, og de har været brugt i forskellige funktionelle opgaver såsom bølgeformet bevægelse i ustrukturerede miljøer 1 og gribende 2. De er hovedsageligt sammensat af bløde elastomere materialer og kontrolleres af forskellige aktiveringsorganer teknikker ved brug af forskellige materialer såsom elektroaktive polymer (EAP), formhukommelseslegering (SMA), eller komprimeret fluidum 3. MHP funktion baseret på en differentiel spænding, der inducerer elektrostatiske kræfter til at producere aktive stammer og derved genererer aktivering. Den ejendommelige form memory effekt af SMAS er indsat for at generere den ønskede aktivering baseret på kraft generation under fasetransformationer Ved ændring i temperaturen. Endelig komprimeret fluidum aktivering teknik letter et enkelt design strategi til at inducere stivhed forskel i de bløde aktuatorer, således at mere overensstemmende regioner vil oppusteved tryksætning. Bløde robotter er designet til at udvide anvendelserne af traditionelle hårde robotter, især i anvendelser, hvor sarte objekter er involveret. Især i dette papir, præsenterer vi vores unikke tilgang til at udvikle bløde robot gribere til delikat kirurgisk manipulation.
Kirurgisk gribning er et vigtigt aspekt involveret i mange kirurgiske procedurer, såsom hepatisk, gynækologiske, urologiske og nerve reparation operationer 4, 5. Det er typisk udført af stive, stål væv gribeværktøj såsom pincet og laparoskopiske gribetænger til formål at lette observation, excision, anastomose procedurer mv Men ekstrem forsigtighed er påkrævet, da de konventionelle gribende værktøjer er lavet af metal, der kan forårsage højt stress koncentration områder i det bløde væv på kontaktpunkterne 6. Afhængigt af sværhedsgraden af væv skader, forskellige komplikationer, såsom smerte, patologisk arvæv fsninger, og endda permanent invaliditet, kan medføre. En tidligere undersøgelse rapporterede, at den komplikation sats i perifer nerve kirurgi var 3% 7. Derfor kan begrebet bløde gribende, der kan give sikker kompatibel greb være en lovende kandidat til sart kirurgisk manipulation.
Her præsenterer vi en kombination af 3D-print og modificerede blød litografi teknikker, som er vedtaget en stang tilgang, at fabrikere tilpasses bløde robot pneumatiske gribere. Traditionel fremstillingsteknik af bløde robotter baseret på komprimeret fluidum aktivering kræver en form med pneumatiske kanaler trykt på det, og en forseglende proces at forsegle kanalerne 8. Det er imidlertid ikke muligt for miniaturiserede bløde robotter som kræver små pneumatiske kanaler, hvor okklusion af kanaler nemt kan ske i forseglingsprocessen. Den traditionelle teknik kræver forseglingen af de pneumatiske kanaler, der skal gøres ved at binde et overtrukket tætningslag til den. Derfor er layer af elastomermateriale som oprindeligt tjener som bindelag kan spildes ind i de små kanaler og okkludere disse kanaler. Det er heller ikke muligt at placere de pneumatiske kanaler ved midten af strukturen og oprette forbindelse til et kammer komponent ved anvendelse af traditionelle teknikker. Den foreslåede fremgangsmåde tillader oprettelsen af miniaturiserede pneumatiske kanaler forbundet til en luftfyldte kammer hjælp stænger og kræver ikke forsegling af de små kanaler. Desuden kammeret forbundet med de pneumatiske kanaler tjene som en luftkilde, som ikke kræver eksterne luft kilder til komprimeret fluid aktivering. Den tillader både manuelle og robot kontrol tilstande ved at lette kammeret komprimering for at aktivere den gribende komponent, hvorved der tilvejebringes brugerne mulighed for at kontrollere mængden af kraft, at de anvender gennem griberen. Denne fremgangsmåde er meget tilpasselig og kan bruges til at fremstille forskellige typer af bløde griber designs såsom gribere med enkelt eller multiple aktiverbare arme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bemærk: Alle de bløde pneumatiske gribere blev fremstillet ved støbning silikone-baserede elastomere blandinger i tilpassede 3D-trykte forme, som fulgte en fabrikation proces, der omfatter tre trin: støbning griber-arm komponenter med indlejrede pneumatiske kanaler, støbning kammer komponent tilsluttet pneumatiske kanaler og forsegling af kammeret komponent fyldt med luft.
1. Fremstilling af Elastomers
- Placer en beholder til mixer på en vægt skala og tarere det. Hæld del A og B af silicone-elastomer i beholderen med en 1: 1 vægtforhold.
- Dæk beholderen og måle den samlede vægt.
- Beholderen anbringes og materiale til en centrifugal blander. Justere vægten balance på mixeren til vægten målt i trin 1.2.
- Indstil blandings- og afluftning modes til 2.000 rpm og 2.200 rpm henholdsvis i 30 sek. Bland elastomerkomponenter grundigt for at opnå en ensartet hærdning.
Bemærk: geometri formen vil variere afhængigt af de specifikke krav til forskellige applikationer. De følgende trin illustrerer generelle vigtige trin i CAD-software, der kræves for at skabe kammeret og gribekomponenten af formen.
- Design af forme og forsegling skimmel ved hjælp af computer-aided design (CAD) software. Se figur 1 for geometrien og specifikke dimensioner af de forme, der anvendes i dette håndskrift.
- Design af den ydre grænse feltet
- Højreklik på den øverste plan og klik på "Normal til" knappen for at normalisere til toppen flyet.
- Klik på "Sketch" i øverste venstre hjørne for at åbne en "Sketch" vinduet. Klik derefter på knappen "Sketch" i øverste venstre hjørne af værktøjslinjen for at tegne en rektangulær base af kammerets komponent.
- Klik på "Smart Dimension" -funktion, som er placeret ved siden af knappen "Sketch", at definere sketch dimensioner. Sørg for, at skitsen er fuldt defineret (dvs. alle tegning linjer bliver sort) og afslutte skitsen når du er færdig.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Boss / Base" til at ekstrudere udvalgte konturer i Y-retningen.
- Klik på den øverste overflade af modellen at forvælge skitsen plan. Tegn et rektangel og definere dimensionerne som beskrevet i 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Cut" til at ekstrudere skære et hulrum til støbning elastomerer (figur 2A). Sørg for, at vægtykkelsen er 2,5 mm.
- Design af det indre kammer
- Højreklik på overfladen på Y-retningen af åbningen område. Klik derefter på "Normal til" at normalisere til denne overflade.
- Klik derefter på vinduet "Sketch" at tegne et rektangel for kammer komponent som beskrevet i trin 2.1.1.2 og2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Boss / Base" til at ekstrudere kammeret komponent i Y-retning (figur 2B).
Bemærk: Dybden af snittet i trin 2.1.1.6 er 2,5 mm større end dette ekstruderet base.
- Design af griberen komponent
- Klik på overfladen af modellen i negativ X-retningen til forvælge skitsen plan for gribekomponenten. Opret et rektangel i "Sketch" vinduet, som beskrevet i trin 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Boss / Base" til at ekstrudere den valgte kontur benægtende X-retning.
- Klik på den øverste overflade af griberen komponent til forvælge skitsen plan. Skabe en form af griberen i "Sketch" vinduet (Figur 2C) og afslutte skitsen når dimensionerne er fuldt defineret som beskrevet i trin 2.1.1.2 end 2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Cut" at skære et hulrum til støbning elastomerer i griberen komponent. Sørg for, at vægtykkelsen er 2,5 mm.
- Design af forbindelsen mellem kammeret og griberen
- Skabe et rektangel i "Sketch" vindue på den øverste overflade af kammeret stykke som beskrevet i 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Cut" for at oprette en forbindelse mellem kammer og griber komponenter (figur 2D).
- Design af de pneumatiske kanaler
- Opret 1,5 mm diameter cirkler på overfladen af kammeret brik i den positive X-retning som beskrevet i trin 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Cut" for at oprette kanaler for valsetråd indsættelse (Figur 2E). Sørg for holes ikke skære igennem griberen komponent.
- Design af den ydre grænse feltet
- I en separat CAD-fil, tegne en forsegling støbeform med et hulrum i længde og bredde, som er 1 mm større end de ydre dimensioner af kammeret komponent af griberen. Bemærk: Vægtykkelsen er 2,5 mm.
- Klik på "Sketch" vinduet for at oprette et rektangel på toppen plan som beskrevet trin 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Boss / Base" til at ekstrudere udvalgte konturer i Y-retningen.
- Klik på oversiden af modellen at forvælge skitsen plan. Tegn et rektangel og definere dimensionerne som beskrevet i trin 2.1.1.2 og 2.1.1.3).
- Klik på "Funktioner" vinduet. Klik derefter på "Ekstruderet Cut" til at ekstrudere skære et hulrum til støbning elastomerer. Sørg for, at vægtykkelsen er 2,5 mm.
- Gem hver form stykke som en STL fil til 3D-print. Læg STL fil i 3D-printer med opløsning på 30 um og udskrive støbeformdelene 9.
- Fjern opbakning materiale på støbeformdelene og vask støbeformdelene med vand.
3. Soft Single / Double-aktiverbare Arm pneumatiske gribere
- Molding griber-arm komponenter med indbygget pneumatiske kanaler
- Sæt to 3D-trykt kammer-blokke på venstre og højre side af kammeret komponent (figur 3A) for at generere et forseglet kammer med pneumatiske kanaler forbundet til den.
- Sæt to 1,5 mm diameter titanium valsetråd gennem kammeret, holde en 2 mm afstand fra griberen tips til at skabe de pneumatiske kanaler (figur 3A). Bemærk: Brug én valsetråd til single-aktiverbare-arm griber.
- Hæld den elastomere blanding i formen til fuldt ud at fylde gribekomponenten.
- Sørg for ingen synlige luftbobler til stede.
- place formen i ovnen til hærdning ved 60 ° C i 10 min. Når elastomer hærdes, fjerne formen fra ovnen.
- Molding kammer komponent tilsluttet pneumatiske kanaler
- Træk valsetrådene og de to kamre-blokke ud fra formen.
- Placer en 3D-trykt griber-blok på toppen af griberen komponent for at skabe kammeret (figur 3B). Indsæt valsetrådene at blokere hullerne i væggen af formen.
- Hæld den elastomere blanding i formen for at fylde den resterende del af kammeret komponent og sikre, at der er ingen synlige luftbobler fanget i formen.
- Hærde del ved en temperatur på 60 ° C i 10 min. Fjerne formen fra ovnen, når elastomeren er hærdet.
- Fjern griberen-blok og afformning det fuldt hærdede griberen med kammer struktur.
- Forsegling af kammeret komponent fyldt med luft
- Hæld den elastomere blanding i forseglingselementet mug oghelbrede den ved 60 ° C i 10 min.
- Børste et lag af elastomert materiale på de hærdede 2,5 mm forseglingslag. Placer hærdede griberen med kammeret struktur oven på det overtrukne forseglende lag og binde de to stykker sammen (figur 3C).
- Efterfølgende helbrede hele strukturen fuldt ved 60 ° C i 15 min.
- Afformning det fuldt hærdede bløde robot gribeindretning.
4. Indsættelse af Soft Robotic Pneumatisk Gripper Device i Håndtering Tool
- Design håndtering værktøjer som beskrevet i supplerende fil 1 ved hjælp af CAD-software og gemme det i STL fil. Se figur 4 og 5 for dimensionerne af værktøj.
- Læg STL fil i 3D-printer og udskrive støbeformdelene 9.
Bemærk: Alle trykkerier trin for manuel styring håndteringsværktøj, rektangulær hætte, og bevægeligt stempel (figur 4) kan være afsluttet inden for 3 timer 48 min. pRinting tid til fremstilling af robotstyring håndtering værktøj og rektangulær hætte (figur 5) er 1 time 56 min. Se Supplerende fil 2 til 3D printer betjeningsvejledning. - Skalle enhver støtte materiale på værktøj efter udskrivningen er fuldført. Derefter vaskes værktøjerne med vand.
- Sæt griberen i den manuelle styring håndtering værktøj (figur 4A) og dække åbningen med en bevægelig rektangulær hætte (figur 4B).
- Indsæt et bevægeligt stempel (figur 4C) for at lette kammer kompression.
- Sæt griberen og lineære aktuator i robotstyring håndteringsværktøjet (figur 5A). Bemærk: Den lineære aktuator erstatter det bevægelige stempel i manuel styring mode for kammer kompression.
- Dække åbningen med en bevægelig rektangulær hætte (figur 5B).
5. Evalueringer og Grip Trykstyrke Test
- Vurderefunktionaliteten af den bløde griberen ved at udføre gribende forsøg med en jumper wire.
- Placer en jumper wire på bordet.
- Juster griberen, således at tråden er i mellem de to gribearme.
- Flyt bevægeligt stempel til at komprimere kammeret for at aktivere gribearmene at holde tråden.
Bemærk: Kun den manuelle håndtering værktøj kontrol anvendes i den gribende demonstration. - Hold og flyt ledning til en kasse placeret på 20 cm væk fra wire oprindelige placering.
- Placer en kalibreret kraft sensing modstand mellem de to kæber griber. Sørg griberen kæber greb om sensing området. Bemærk: Diameteren af detekteringsområdet er 14,7 mm.
- Komprimere kammeret til at aktivere gribearmene til greb om den kraft sensing modstand.
- Mål den maksimale greb trykkræfter, at de bløde single-aktiverbare-arm og dobbelt-aktiveres-arm pneumatiske gribere kunne generere som beskrevet i 10.
Bemærk: De udlæsning værdier vil blive vist på en bærbar computer. De maksimale greb trykkræfter måles på tidspunktet for maksimale tryk, som de pneumatiske kanaler kan modstå. - Klip de enkelte elastomere gribende kæber fra en blød dobbelt-aktiverbare-arm pneumatisk griber.
- Sæt tang tip i de pneumatiske kanaler af de elastomere gribende kæber.
- Placer en kalibreret kraft sensing modstand mellem de to kæber tangen.
- Mål trykkræfterne 10 genereret af beklædt med elastomer pincet og pincet under et simuleret nerve kirurgi udført af en neurokirurg.
Bemærk: neurokirurg anvender en kraft, der svarer til, hvad han anvender normalt under selve operationen på den kraft sensing modstand. - Gennemsnittet af data fra fem forsøg i hver test.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De bløde robot pneumatiske gribeanordninger var i stand til optagning objekter med dimensioner på op til 1,2 mm i diameter (figur 6). Den maksimalt greb trykkraft genereres af enkelt- aktiverbare-arm, og dobbeltklik aktiverbare-arm bløde gribeanordninger var 0,27 ± 0,07 N og 0,79 ± 0,14 N henholdsvis sammenlignet med 1,71 ± 0,16 N og 2,61 ± 0,22 N trykkræfter i simuleret kirurgi ved beklædt med elastomer pincet og ved ikke-coatede pincet (figur 7). Grebet kræfter kan variere efter geometrien af griberne og størrelsen af de pneumatiske kanaler. Den elastomer materielle egenskaber vil bestemme det maksimale tryk, at de pneumatiske kanaler kan tåle, hvilket igen vil påvirke greb kræfter. Den foreslåede teknik (figur 3) viser, at en billig etablering af blød pneumatisk griber i hurtig fabrikation tid er muligt, end funktionaliteten af sådanne gribere blev evalueret i denne undersøgelse. Anvendelse af teknikken beskrevet, kan fremstilling af forskellige griber udformninger til forskellige applikationer opnås ved at udforme tilsvarende forme til støbning af elastomer.
Disse resultater viste, at kompatible gribende, uden indførelse af overdreven stress til den grebne genstand, kan opnås med den foreslåede fremstillingsteknik. Tilpasningsevne de bløde gribearme tilladt armene til at tilpasse sig overfladekonturen af objektet. Det er imidlertid nødvendigt at sikre, sikkert greb ikke kompromitteres når der er opnået et eftergivende greb. Et greb, der er både fast og kompatible er afgørende til at gribe applikationer, især i kirurgi. Resultatet kan analyseres yderligere ved at gennemføre pilot mus forsøg for at evaluere resultaterne af bløde griber i holde musen nerve og undersøge omfanget af skader gjort til nerven, nården bløde griberen anvendes sammenlignet med når der anvendes tangen.
Figur 1. 2D CAD tegninger af forme, der anvendes til fremstilling toppen struktur af det elastomere bløde robot pneumatisk gribeanordninger: (A) dobbelt-aktiverbar-arm, og (B) enkelt- aktiverbar-arm (alle dimensioner er i mm). Vægtykkelsen er 2,5 mm for alle forme. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Oprettelse formen i CAD. (A) Extrude skære et hulrum til støbning elastomerer. (B) Opret et kammer komponent i mold. (C) Opret et hulrum til støbning elastomerer til griberen komponent. (D) Extrude skære en forbindelse mellem kammeret og gribekomponenten. (E) Extrude skære to huller til at holde wiren stænger til at skabe pneumatiske kanaler. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. fabrikationsproces af den bløde dobbelt-aktiverbar-arm pneumatisk griber. (A) Placer to kammer-blokke og indsætte to valsetråde at skabe pneumatiske kanaler, der er forbundet til et kammer. Hæld elastomer i formen og hærde fuldstændigt gribe- komponent. (B) Slet valsetrådene og kammer-blokke og sætte en griber-blok på toppen af gribe- komponent at oprettete kammer. Hæld elastomer i formen for at gøre kammeret komponent. (C) Bond griberen struktur og 2,5 mm lag sammen om at skabe en forseglet luftfyldt kammer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. 2D-CAD-tegninger af håndtering værktøjer til manuel styring tilstand for at lette kammer kompression (A) Handling værktøj, (B) rektangulær hætte, og (C) bevægeligt stempel (alle dimensioner er i mm, og vægten er 2:. 3 medmindre andet er angivet). klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. 2D-CAD-tegninger af håndtering værktøjer til robot kontrol tilstand for at lette kammer kompression (A) Håndtering værktøj, og (B) rektangulære cap (alle dimensioner er i mm, og vægten er 2: 3 medmindre andet er angivet).. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Evaluering af gribende test af de foreslåede gribeanordninger. Fotografier af den bløde robot (A) enkelt-aktiverbare-arm, og (B) dobbelt-aktiveres-arm pneumatisk gribeanordninger før (til venstre) og efter (til højre) tage fat i wire 1,2 mm diameter.
Figur 7. Grip trykkræfter frembragt af de to forskellige bløde robot pneumatisk griber enheder og de to (beklædt med elastomer og uden overtræk) pincet i greb kompressionskraft test. En kraft sensing modstand blev anbragt mellem de to kæber af griberen / pincet og den gripper / tang kæber greb om sensing areal i hver test. Fejlsøjlerne repræsenterer standardafvigelsen.
Figur 8. 2D CAD tegninger af forme, der anvendes til fremstilling toppen struktur af den bløde robot krog pneumatisk griber. Den pneumatiske kanal er placeret nærmere til bundfladen af krogen gribe- komponent og det vil bøje opad ved tryksætning.
Supplerende fil 1. Design af håndtering værktøjer. Trinvis oplysninger om udformningen af håndtering værktøjer involveret i CAD-software. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2. 3D-printer brugervejledning. Denne brugervejledning indeholder instruktioner til betjening af printeren. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har med succes vist, at de bløde robot pneumatisk gribeanordninger tilladt kompatible gribende af objekter, der udøves meget lavere trykkræfter på grebne objekt end beklædt med elastomer tang tips og pincet udøves. Tang er et vigtigt redskab for nerver manipulation under perifer nerve reparation operationer 11, 12. Men dens metalliske struktur kræves stor forsigtighed i brugen af de kirurger for at undgå skader nerve forårsaget af overdreven gribende styrker og tilfældige skader på omgivende væv. Afhængigt af sværhedsgraden af skaden, kan forskellige komplikationer lige fra de mindre alvorlige dem, såsom smerte, til svære dem, såsom blodpropper og endda permanent invaliditet, resultere. I betragtning af behovet for at forhindre tilfældig beskadigelse af nervevæv under kirurgisk manipulation, vores foreløbige resultater tyder på, at disse bløde robot pneumatiske gribeanordninger er potentielle egnede kandidater tilsupplerer de nuværende pincet under sart væv manipulation ved at tilvejebringe evnen til at opnå kompatible greb. Silicone-elastomer, der anvendes i fremstilling af bløde griberen har en Youngs modul på 0,8 x 10 5 Pa, som er sammenlignelige med dem for bløde deformerbare humane muskler og væv 13, 14. Derfor vil det reducere risikoen for vævsskade sammenlignet sin modpart stive gribere.
Af alle de trin, der er beskrevet, de mest kritiske trin er placeringen af de pneumatiske kanaler i Mold design, eliminering af luftbobler inden hærdning proces, og forseglingen af luftkammeret. De pneumatiske kanaler bør ikke være placeret for tæt på den ydre væg af griberen for at forhindre aktuatoren fra brud ved lave tryk. bør fjernes eventuelle luftbobler før hærdning, da dette vil fjerne potentielle svigt point, og dermed i sidste ende forbedre ydeevnen af griberen.Griberen strukturen bør bindes godt til forseglingslaget at skabe et lukket kammer, der er i stand til at lagre luft uden lækage.
Forskellige fremstillingsteknikker er også blevet foreslået at bygge bløde mikroaktuatorer til gribning ansøgninger 15-17. For eksempel, Lu & Kim 15 foreslået en microhand lavet med tre trin i blød litografi proces. I dette tilfælde er microhand er i stand til at manipulere relativt små genstande, men en ekstern komprimeret nitrogen cylinder er påkrævet for dens aktivering. For nylig, Rateni et al. 16 udviklet en blød kabel-drevet robot griber hvor de bløde fingre blev foretaget ved støbning silikone i 3D-printede forme. I stedet for pneumatiske kanaler ved midten af gribearmen blev robot griber aktiveres af en servomotor med kabler forbundet til fingeren. Breger et al. 17 foreslået en selvstændig folde bløde microgrippers lavet med sekventiel fotolitografi PRocess. Ordningerne fabrikationsproces og kontrol involverede er dyre og komplekse. På den anden side, den foreslåede fremstillingsprocessen er enkle, billige og kan afsluttes inden for 4 timer, inklusive tiden for 3D-print af formene og håndtering redskaber. Den bløde griber besidder fascinerende egenskaber såsom lav komponent omkostninger, vandafvisende og ikke-korroderende. Den minimale kompleksitet involveret i at kontrollere bløde griber gjorde det muligt at blive brugt i forskellige gribende applikationer og let vedtaget af brugerne.
Produktionsprocessen beskrevet i denne undersøgelse involverede hovedsageligt 3-D trykning teknologi og en stang tilgang til at skabe pneumatiske kanaler. Det viser muligheden for at skabe tilpasses griber designs ved at variere formen design. En blød robot krog pneumatisk griber blev foretaget under anvendelse af en modificeret form med en krog gribe- komponent og et kammer komponent (figur 8). Det viste, at griberen design can let ændres og fremstillede med lave omkostninger. Anvendelsen af stangen for at skabe pneumatiske kanaler tillod fremstillingen af miniaturiserede bløde robot gribere. Det påvist, at denne fremgangsmåde er egnet til skabelse af miniaturisere bløde robotter for at forhindre okklusion af de små pneumatiske kanaler under forseglingsprocessen udføres på konventionel fremstillingsproces af bløde robotter. Men i nogle tilfælde, når en helt ny støbeform først anvendes til støbning af elastomeren, kan den ydre overflade af den hærdede griberen blive klæbrig. Hvis dette sker, bør griberen placeres inde i ovnen i yderligere hærdning indtil klæbrigheden af overfladen er væk. Desuden bør der drages omsorg for at sikre, at forseglingen er godt og bunden kammervæg ikke har bobler. Bemærk, at det område, hvor der er to huller passerer gennem væggen, som er bestemt til indføring af valsetrådene, har højere sandsynlighed for at indeholde luftbobler i forhold til den anden regioner. Et ekstra lag af elastomert materiale kan påføres med en pensel på kanterne af forseglingslaget og bundvæggen for at forbedre robustheden af griberen.
Det unikke ved den foreslåede teknik er at indarbejde tanken om at udskrive et kammer komponent på formen for at skabe et luftfyldt kammer til aktivering. Kammeret komponent i de bløde robot gribeanordninger tillader grebet trykkraft, der skal styres gennem sammentrykning af kammeret. Sammenlignet med eksterne luft kilder, såsom bærbare pumper, der er almindeligt godkendt til brug for de bløde robotter, manuel drift af kontrol kan opnås med tilstedeværelsen af kammeret komponent. Det er især vigtigt for kirurgisk manipulation hvor kirurger foretrækker at være i stand til faktisk at føle og styre mængden af kraft, som de anvender. Fordelen af kammeret komponent er, at det også tilladt den automatiske tilstand af kontrol ved inkorporering af en lineæraktuator i håndtering værktøjer. Derfor kan både den manuelle og automatiske tilstand af kontrol ske med kammeret komponent forbundet til de pneumatiske kanaler til aktivering. Disse lavpris aftagelige bløde robot gribere er beregnet til engangsbrug, hvilket betyder, at der ikke er behov for re-sterilisering til gentagen anvendelse. Håndteringsdelene værktøjer er steriliserbart og de bløde robot gribere kan indsættes let før det kirurgiske manipulation udføres. Udformningen af disse bløde pneumatisk kirurgiske gribeanordninger tillade yderligere inter-udskiftning af forskellige enheder designs i en enkelt håndtering værktøj til at passe til forskellige gribende krav.
Dog skal denne teknik, skal ses i et par begrænsninger. Først er brug for to procedurer til at fremstille de gribende komponenter og kammeret tilslutningselementer til de pneumatiske kanaler og kammer komponent sammen, og en forseglende proces er påkrævet for kammeret. Selvom det fjerner need af eksterne luft kilder, det øger tiden i støbning af bløde robot gribere. For det andet blev det maksimale tryk, der kan anvendes på de pneumatiske kanaler begrænset af elastomere egenskaber. Større trykkræfter kan genereres ved anvendelse af et stivere elastomer eller styrke elastomer med fibre for at forhindre sprængning af pneumatiske kanaler. For eksempel silkefibre, der er almindeligt anvendt som et kirurgisk suturmateriale eller stilladser på grund af deres biokompatibilitet og fremragende mekaniske egenskaber, kan anvendes til at styrke de bløde gribere 18. Afhænger af de forskellige applikationer, er elastomer med større stivhed er nødvendig for at sikre balancen mellem eftergivende og sikkert greb. Yderligere kan en eftergivende gribe- og glat kontaktflade med den foreslåede griberen forårsage skridning at forekomme. Imidlertid fleksibel kontakt, en af de vigtigste iboende egenskaber silikonegummi, tilladt, griberen at tilpasse sig overfladekonturen af objektet. Vimener, at denne tilpasningsevne indirekte forbedrer stabiliteten af gribning. Modifikation på greb kontaktflader, såsom inkorporering tænder design i kontaktfladen, kan hjælpe med at give stabile greb. Endelig i forhold til andre bløde gribere med tre eller flere arme 15-17, greb opførelser af den foreslåede to-kæbet robot griber med hensyn til stabilitet er mindre gunstige.
Denne teknik er meget skalerbar, hvorved forskellige bløde robot gribere der spænder fra små, såsom kirurgiske gribere, til stor skala, såsom hånd gribere i industrielle samlebånd, kan fremstilles. Navnlig kan forskellige gribere tilpasses baseret på design af formene. For eksempel kan en hybrid nerve griber, der kombinerer både den bløde gribe- komponent og en stiv nerve krog retraktor blive foreslået til anvendelse i kirurgisk manipulation. Den bløde greb komponent er indbygget i et rektangulært hus, og det vil oppuste nær spidsen area til fastholdelse nerven på krogen retraktoren når trykket er anvendt til kanalen. Det tackler en almindelig begrænsning for brug af kæber griber som kæberne tendens til at skubbe genstande udad, når de lukker, hvilket udgør vis svært ved at fatte. Det vil være nyttigt at øse op nerverne og derefter give en kompatibel greb, mens de bløde kæber gribere kunne kun greb og afhente objekter, der ikke allerede er i kontakt med alle overflader.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forskningen blev støttet af 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).
