繊細な組織操作のためのカスタマイズ可能なソフトロボット空気圧グリッパ装置のロッドベースの試作
Summary
This protocol describes a rod-based approach, combining 3D-printing and soft lithography techniques for fabricating the soft gripper devices. This approach eliminates the need for an external air source by incorporating a chamber component and reduces the chance of occlusion during the sealing process, particularly for miniaturized pneumatic channels.
Abstract
Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations at the point of contact. It can be achieved by complementing traditional rigid grippers with soft robotic pneumatic gripper devices. This manuscript describes a rod-based approach that combined both 3D-printing and a modified soft lithography technique to fabricate the soft pneumatic gripper. In brief, the pneumatic featureless mold with chamber component is 3D-printed and the rods were used to create the pneumatic channels that connect to the chamber. This protocol eliminates the risk of channels occluding during the sealing process and the need for external air source or related control circuit. The soft gripper consists of a chamber filled with air, and one or more gripper arms with a pneumatic channel in each arm connected to the chamber. The pneumatic channel is positioned close to the outer wall to create different stiffness in the gripper arm. Upon compression of the chamber which generates pressure on the pneumatic channel, the gripper arm will bend inward to form a close grip posture because the outer wall area is more compliant. The soft gripper can be inserted into a 3D-printed handling tool with two different control modes for chamber compression: manual gripper mode with a movable piston, and robotic gripper mode with a linear actuator. The double-arm gripper with two actuatable arms was able to pick up objects of sizes up to 2 mm and yet generate lower compressive forces as compared to elastomer-coated and non-coated rigid grippers. The feasibility of having other designs, such as single-arm or hook gripper, was also demonstrated, which further highlighted the customizability of the soft gripper device, and it’s potential to be used in delicate surgical manipulation to reduce the risk of tissue grip damage.
Introduction
ソフトロボットは、ロボット工学のコミュニティの中で大きな研究関心に火をつけていると、彼らは、そのような構造化されていない環境1と2を把持における波動歩行のような異なる機能タスクで使用されてきました。これらは主に軟質エラストマー材料から構成され、そのような電気活性ポリマー（EAP）などの異なる材料を使用することにより、異なる作動技術によって制御される、記憶合金（SMA）、又は圧縮流体3を形成しています。活性株を生成するために静電気力を誘起し、それによって作動を生成する差動電圧に基づいのEAP機能。 SMAの独特の形状記憶効果は、温度変化時の相変態時に力発生に基づいて、所望の作動を生成するために配備されています。最後に、圧縮流体作動技術は、より準拠した領域が膨らませるようなもので、ソフトアクチュエータに剛性差を誘導するシンプルなデザイン戦略を促進します加圧時。ソフトロボットは特にデリケートなオブジェクトが関与する用途において、従来のハードロボットの用途を広げるように設計されています。特に、本論文では、繊細な外科的処置のためのソフトロボットグリッパーの開発における私たちのユニークなアプローチを提示します。
外科グリップは、肝臓、婦人科、泌尿器科、および神経修復手術4、5のような多くの外科手術に関与する重要な局面である。それは、典型的には、容易にする目的のための鉗子と腹腔鏡把持器のような剛性、鋼組織把持ツールによって実行されます観察、切除、吻合手順などの従来の把持ツールは、コンタクト6の点で軟組織に高応力集中領域を引き起こす可能性がある金属で作られているようしかし、細心の注意が必要です。このような痛み、病的な瘢痕組織fとして組織損傷の重症度に応じて、さまざまな合併症、ormation、さらには永久的な障害は、可能性があります。前の研究では、末梢神経手術における合併症の発生率は3％7であったことを報告しました。したがって、安全準拠したグリップを提供することができ、ソフトグリップのコンセプトは、繊細な外科的処置のための有望な候補となり得ます。
ここでは、3次元印刷の組み合わせを提供し、カスタマイズ可能なソフトロボット空気圧グリッパーを製造するために、ロッドベースのアプローチを採用したソフトリソグラフィー技術を、変更されました。圧縮流体作動に基づいて、ソフトロボットの伝統的な製造技術は、チャンネル8を密封するために、空気圧が印刷チャネルと封止工程で金型を必要とします。しかし、それは、チャネルの閉塞が容易に封止工程で発生する可能性が小さい空気圧のチャネルを必要とする小型化されたソフトロボットのための現実的ではありません。従来の技術は、それに被覆されたシール層を接着することによって行われるべき空気圧チャネルのシールを必要とします。したがって、ラ最初に接着層として機能するエラストマー材料のヤーは、小さなチャネルに流出し、これらのチャンネルを閉塞することができます。構造体の中央に空気圧チャネルを配置し、従来の技術を用いて、チャンバコンポーネントに接続することも不可能です。提案されたアプローチは、ロッドを用いて空気充填室に接続されている小型化空気圧チャネルの作成を可能にし、小さなチャネルのシールを必要としません。また、空気流路に接続されたチャンバは、圧縮流体作動のための外部の空気源を必要としない空気源として機能します。それによって、ユーザーに彼らがグリッパを通じて適用される力の量を制御するオプションを提供し、グリップのコンポーネントを作動させるために、チャンバの圧縮を促進することによって、手動およびロボットの制御モードの両方を可能にします。このアプローチは、高度にカスタマイズ可能であり、そのような単一またはμとグリッパ軟質グリッパの設計の様々な種類を製造するために使用することができます作動腕ltiple。
Protocol
Representative Results
Discussion
我々は成功したエラストマーでコーティングされた鉗子のヒントや鉗子より把持物体にはるかに低い圧縮力を発揮したオブジェクトの準拠把持許さソフトロボット空気圧グリッパ装置は、発揮することを実証しました。鉗子末梢神経修復手術11、12の間に神経を操作するための不可欠なツールです。しかし、その金属組織は、神経過剰な把持力による損傷や周囲の組織に付随する損傷?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
研究はR-397-000-204-133（シンガポール国立大学の若手研究賞）によってサポートされていました。
Materials
| 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) |
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