Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Rod-baserte Fabrikasjon av Tilpass Soft Robot Pneumatiske gripeinnretninger for Delikat Tissue Manipulasjon

Published: August 2, 2016 doi: 10.3791/54175

Introduction

Soft roboter har utløst stor forskningsinteresse innenfor robotikk samfunnet og de ​​har blitt brukt i ulike funksjonelle oppgaver som undulatory locomotion i ustrukturerte omgivelser 1 og gripende to. De er hovedsakelig sammensatt av bløte elastomere materiale og kontrollert av forskjellige aktiveringsteknikker ved bruk av forskjellige materialer som elektroaktiv polymer (EAP), hukommelseslegerings (SMA), eller komprimert fluid 3. EAPs funksjons baserte på en differensialspenning som induserer elektrostatiske krefter for å fremstille aktive belastninger og derved genererer aktivering. Det særegne formhukommelse av den SMAs er utplassert å generere den ønskede aktivering basert på den kraftgenerering under fasetransformasjonene ved den endring i temperatur. Slutt, forenkler komprimert fluid aktivering teknikken en enkel design strategi for å indusere stivhet forskjellen i de myke aktuatorer slik at mer kompatible regioner vil blåseved trykksetting. Myke roboter er utformet for å utvide anvendelser av tradisjonelle hard roboter, spesielt i applikasjoner hvor ømfintlige gjenstander er involvert. Spesielt i denne rapporten, presenterer vi vår unike tilnærming i utviklingen av myke robot gripere for delikat kirurgisk manipulering.

Kirurgisk gripende er et viktig aspekt involvert i mange kirurgiske prosedyrer som lever-, gynekologisk, urologiske og nerve reparasjon operasjoner fire, fem. Det er vanligvis utført av stive, stål vev gripe verktøy som pinsett og laparoskopisk graspers for å lette observasjon, eksisjon, anastomose prosedyrer, etc. imidlertid er ekstrem forsiktighet kreves som de konvensjonelle gripeverktøy er laget av metall som kan forårsake høy spenningskonsentrasjon områder i det myke vev ved kontaktpunktene 6. Avhengig av alvorlighetsgraden av vev skader, forskjellige komplikasjoner, slik som smerte, patologisk arrvev formasjon, og selv permanent uførhet, kan føre til. En tidligere studie rapporterte at komplikasjoner i perifer nerve operasjonen var 3% 7. Derfor kan begrepet myk gripende som kan gi trygge kompatibel grep være en lovende kandidat for delikat kirurgisk manipulering.

Her presenterer vi en kombinasjon av 3D-utskrift og modifiserte myk litografi teknikker, som vedtatt en stang basert tilnærming, å dikte passelig myke robot pneumatiske gripere. Tradisjonell fabrikasjon teknikk av myke roboter basert på komprimert væske aktivering krever en form med pneumatiske kanaler trykte på den og en forsegling prosess for å forsegle kanalene 8. Det er imidlertid ikke mulig for miniatyrisert myke roboter som har behov for små luftfylte kanaler hvor tilstopping av kanalene lett kan skje i forseglingsprosessen. Den tradisjonelle teknikken krever forsegling av de luftfylte kanalene som skal utføres ved binding av en belagt tettende lag til det. Derav, layer av elastomer materiale som i utgangspunktet fungerer som en bonding lag kan renne inn i de små kanalene og tilstoppe disse kanalene. Det er heller ikke mulig å posisjonere de pneumatiske kanaler på midten av strukturen og koble til et kammer komponent ved hjelp av konvensjonelle teknikker. Den foreslåtte løsning tillater etablering av miniatyriserte pneumatiske kanaler som er koblet til en luftfylte kammer ved hjelp av stenger og krever ikke forsegling av de små kanalene. I tillegg, idet kammeret er forbundet med pneumatiske kanalene tjener som en luftkilde som ikke krever ekstern luft kilder for komprimert væske aktivering. Den tillater både manuell og robot-styringsmodi ved å tilrettelegge kammeret kompresjon for å aktivisere gripedelen, for derved å gi brukerne mulighet til å kontrollere mengden av kraft som de søker gjennom griperen. Denne fremgangsmåten er lett å tilpasse og kan brukes til å fremstille forskjellige typer myke gripe design som griperne med singel eller multiple påvirkbart armer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Alle de myke pneumatiske griperne ble fabrikkert av støping silikon-baserte elastomer blandinger til tilpasset 3D-trykt former, som fulgte en fabrikasjon prosess som består av tre trinn: støping gripearmer komponenter med innebygde pneumatiske kanaler, støping kammer komponent som er koblet til de pneumatiske kanaler og forsegling av kammeret komponenten er fylt med luft.

1. Utarbeidelse av elastomerer

  1. Plasser en beholder for mikser på en vektskål og tare det. Hell deler A og B av silikon-elastomer i beholderen med en 1: 1 vektforhold.
  2. Dekk beholderen og måle den totale vekt.
  3. Plasser beholderen og materialet inn i en sentrifugal-blander. Juster vektbalanse på blanderen til vekten målt i trinn 1.2.
  4. Sett miksing og avlufting modusene til 2000 rpm og 2200 rpm henholdsvis i 30 sek. Bland elastomer komponentene grundig for å oppnå jevn herding.
le "> 2. Mold Design og produksjon

Merk: Geometrien formen vil variere avhengig av de spesifikke kravene til ulike bruksområder. Følgende trinn illustrerer generelle viktige skritt i CAD-programvare som kreves for å lage kammeret og gripe del av formen.

  1. Design formene og tetting mold ved hjelp av dataassistert konstruksjon (DAK) programvare. Se figur 1 for den geometri og spesifikke dimensjoner av formene som anvendes i dette manuskriptet.
    1. Utformingen av ytre grense boksen
      1. Høyreklikk på øverste plan, og klikk på "Normal til" -knappen for å normalisere til toppen planet.
      2. Klikk på "Skisser" øverst i venstre hjørne for å åpne en "skisse" -vinduet. Deretter klikker du på "Sketch" knappen øverst i venstre hjørne på verktøylinjen for å tegne en rektangulær base av kammeret komponent.
      3. Klikk på "Smart Dimension" -funksjonen, som ligger ved siden av "Sketch" -knappen, å definere sketse dimensjoner. Sørg for at skissen er fullstendig definert (dvs. alle tegnede linjer blir svart) og avslutte skisse når du er ferdig.
      4. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Boss / Base" til å ekstrudere utvalgte konturer i Y-retningen.
      5. Klikk på den øvre overflate av modellen for å forhåndsvelge skisseplanet. Skisser et rektangel og definere dimensjonene som beskrevet i 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
      6. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Cut" til å ekstrudere kutte et hulrom for støping av elastomerer (figur 2A). Pass på at veggtykkelsen er 2,5 mm.
    2. Utformingen av det indre kammeret
      1. Høyreklikk på overflaten på Y-retningen av åpningen området. Deretter klikker du på "Normal til" å normal til at overflaten.
      2. Deretter klikker du på "Sketch" vinduet for å tegne et rektangel for kammer komponent som beskrevet i trinn 2.1.1.2 og2.1.1.3.
      3. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Boss / Base" til å ekstrudere kammeret komponent i Y-retningen (figur 2B).
        Merk: Dybden på kuttet i trinn 2.1.1.6 er 2,5 mm større enn dette ekstrudert basen.
    3. Utformingen av gripedelen
      1. Klikk på overflaten av modellen i negativ x-retning for å forhåndsvelge skisseplanet for gripedelen. Lag et rektangel i "Sketch" vinduet som beskrevet i trinn 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
      2. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Boss / Base" til å ekstrudere valgte konturen i negativ x-retning.
      3. Klikk på den øvre overflaten av gripedelen for å forhåndsvelge skisseplanet. Skape en form av griperen i "skisse" vindu (figur 2C) og avslutte skisse når dimensjonene er fullstendig definert som beskrevet i trinn 2.1.1.2 end 2.1.1.3.
      4. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Cut" for å klippe et hulrom for støping elastomerer i griperen komponent. Pass på at veggtykkelsen er 2,5 mm.
    4. Utformingen av forbindelsen mellom kammeret og griperen
      1. Lag et rektangel i "Sketch" vinduet på toppen overflaten av kammerspill som beskrevet i 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
      2. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Cut" for å opprette en forbindelse mellom kammer og gripe komponenter (figur 2D).
    5. Design av pneumatiske kanaler
      1. Skape 1,5 mm diameter sirkler på overflaten av kammerstykket i den positive X-retning slik som beskrevet i trinn 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
      2. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Cut" for å skape kanaler for wire innsetting (figur 2E). Sørg holes ikke skjære gjennom griper komponent.
  2. I en separat CAD-fil, tegne en tettende form med et hulrom med lengde og bredde som er 1 mm større enn de ytre dimensjoner av kammeret komponenten av griperen. Merk: Veggtykkelsen er 2,5 mm.
    1. Klikk på "Sketch" vinduet for å opprette et rektangel på toppen planet som beskrevet trinn 2.1.1.2 og 2.1.1.3.
    2. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Boss / Base" til å ekstrudere utvalgte konturer i Y-retningen.
    3. Klikk på den øverste siden av modellen for å forhåndsvelge skisseplanet. Skisser et rektangel og definere dimensjonene som beskrevet i trinn 2.1.1.2 og 2.1.1.3).
    4. Klikk på "Egenskaper" -vinduet. Deretter klikker du på "Extruded Cut" til å ekstrudere kutte et hulrom for støping elastomerer. Pass på at veggtykkelsen er 2,5 mm.
  3. Lagre hvert støpestykke som en STL-fil for 3D-utskrift. Laste STL-filen inn i 3D-skriver med oppløsning på 30 mikrometer og skrive formdelene 9.
  4. Fjern eventuelt bærermateriale på formdelene og vaske formdelene med vann.

3. Myk enkel / dobbel-påvirkbart Arm Pneumatiske Grip

  1. Støping gripearmer komponenter med innebygd pneumatiske kanaler
    1. Sett to 3D-trykt kammer-blokker på venstre og høyre side av kammeret komponent (figur 3A) for å generere et forseglet kammer med luftfylte kanaler som er koblet til den.
    2. Sett inn to 1,5 mm-diameter titan wire gjennom kammeret, holde en 2 mm avstand fra gripe tips for å skape den pneumatiske kanaler (figur 3A). Merk: Bruk en tråd for single-påvirkbare-arm griperen.
    3. Hell den elastomere blandingen inn i formen for å fullstendig fylle griperen komponenten.
    4. Kontroller at det er ingen synlige luftbobler.
    5. Place formen inn i ovnen for herding ved 60 ° C i 10 min. Når elastomer er kurert, fjerne mugg fra ovnen.
  2. Støpekammeret komponent som er koblet til de pneumatiske kanalene
    1. Trekk wire og de to kammer-blokker ut fra formen.
    2. Plasser en 3D-trykt griper-blokk på toppen av gripedelen for å danne kammeret (figur 3B). Sett inn wire for å blokkere hullene i veggen av støpeformen.
    3. Hell den elastomere blandingen inn i formen for å fylle den gjenværende delen av kammeret komponent og sikre at det ikke er noen synlige luftbobler som er fanget i formen.
    4. Kurere del ved en temperatur på 60 ° C i 10 min. Ta formen ut av ovnen når elastomer er kurert.
    5. Fjern griperblokk og form-uttak den fullstendig herdet griperen med kammeret struktur.
  3. Tetting kammeret komponent fylt med luft
    1. Hell den elastomere blandingen i tettende formen ogherde det ved 60 ° C i 10 min.
    2. Pensle et lag av elastomer materiale på kurert 2,5 mm tettesjikt. Plasser kurert griperen med kammer struktur på toppen av den belagte tettesjikt og binde de to delene sammen (figur 3C).
    3. Deretter herde hele strukturen fullstendig ved 60 ° C i 15 min.
    4. Form-uttak fullt herdet myk robotgripeanordning.

4. Innsetting av Soft Robotic Pneumatisk Gripper Device inn Håndtering Tool

  1. Design håndteringsverktøy som beskrevet i Supplemental filen en ved hjelp av CAD-programvare og lagre den i STL-fil. Se figurene 4 og 5 for dimensjonene av verktøyene.
  2. Laste STL-filen i 3D-skriveren og skrive formdelene 9.
    Merk: Alle utskrift trinn for manuell kontroll håndtering verktøy, rektangulær cap, og bevegelig stempel (figur 4) kan fullføres innen 3 timer 48 min. PRinting tid for fabrikasjon robot kontroll håndtering verktøy og rektangulær cap (figur 5) er 1 t 56 min. Se Supplemental fil 2 for 3D-skriver bruksanvisningen.
  3. Skrelle av noen støtte materialet på verktøyene etter at utskriften er fullført. Deretter vaske verktøy med vann.
  4. Sett griperen i den manuelle styrehåndteringsverktøyet (figur 4A) og dekke åpningen med en bevegelig rektangulær hette (figur 4B).
  5. Sette inn et bevegelig stempel (figur 4C) for å lette kammeret kompresjon.
  6. Sett griperen og lineær aktuator inn i robotstyrehåndteringsverktøyet (figur 5A). Merk: Den lineære aktuator erstatter bevegelig stempel i manuell drift for kammer komprimering.
  7. Dekke åpningen med en bevegelig rektangulær hette (figur 5B).

5. Evalueringer og Grip Trykktest

  1. Evaluerefunksjonaliteten av det myke griperen ved å utføre gripe tester med en trådbro.
    1. Plasser en jumper wire på bordet.
    2. Juster griperen slik at ledningen ligger i mellom de to gripearmer.
    3. Bevege den bevegelige stempel for å presse kammeret for å aktuere gripearmer for å holde tråden.
      Merk: Kun manuell kontroll håndteringsverktøyet blir brukt i gripe demonstrasjonen.
    4. Hold og flytte ledningen til en boks som ligger 20 cm fra trådens opprinnelige plassering.
  2. Plasser en kalibrert kraft følemotstand mellom de to kjevene til griperen. Sørg for at gripebakkene grep på sensing området. Merk: Diameteren av følerområdet er 14,7 mm.
  3. Komprimer kammeret for aktivering av gripearmer for å gripe om den kraft som følemotstand.
  4. Mål maksimalt grep kompresjonskrefter at myke single-påvirkbar arm og dobbelt påvirkbar arm pneumatiske gripere kan generere som beskrevet i 10.
    Merk: avlesningsverdiene vil bli vist på en bærbar datamaskin. De maksimale grep trykkrefter måles på det punktet av maksimalt trykk at pneumatiske kanaler kan tåle.
  5. Klipp ut de enkelte elastiske gripekjever fra en myk dobbel-påvirkbar-arm pneumatisk gripe.
  6. Sett tang tuppene inn i pneumatiske kanaler av de elastomere gripebakkene.
  7. Plasser en kalibrert kraft sensing motstand mellom de to kjever av tang.
  8. Mål kompresjonskrefter 10 genereres av elastomer-belagt pinsett og tang under en simulert nerve operasjon utført av en nevrokirurg.
    Merk: nevrokirurg gjelder en kraft som er lik det han vanligvis gjelder under selve operasjonen på kraft sensing motstand.
  9. Gjennomsnittlig data innhentet fra fem forsøk i hver test.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De myke robot pneumatiske gripeinnretninger var i stand til å plukke opp gjenstander med dimensjoner opp til 1,2 mm i diameter (figur 6). Den maksimale grep kompresjonskraft som genereres av den enkelt- aktiverbar-arm, og dobbelt-aktiverbar arm myke gripeinnretninger var 0,27 ± 0,07 N og henholdsvis 0,79 ± 0,14 N, sammenlignet med 1,71 ± 0,16 N og 2,61 ± 0,22 N trykkrefter i simulert operasjon av elastomer-belagte pinsett og ved ubelagte tang (figur 7). Gripe krefter kan variere avhengig av geometrien av griperne og størrelsen av de luftfylte kanaler. Elastomeren er materialegenskaper vil bestemme det maksimale trykk som de pneumatiske kanaler kan tåle, som i sin tur vil påvirke gripekrefter. Den foreslåtte teknikk (figur 3) viser at en lav kostnad opprettelse av myk pneumatisk gripe i hurtig fabrikasjon tid er mulig, end funksjonaliteten til slike gripere ble evaluert i denne studien. Ved å bruke den teknikk som er beskrevet, kan fabrikasjon av forskjellige gripe utførelser for forskjellige anvendelser oppnås ved å utforme tilsvarende støpeformer for støping av elastomer.

Disse resultatene viste at kompatibel gripe, uten innføring av overdreven spenning til det fastholdte objekt, er oppnåelige med den foreslåtte fremstillingsteknikken. Tilpasning av de myke gripearmer lov til armene for å samsvare med overflaten konturen av objektet. Det er imidlertid nødvendig å sikre at sikre gripe ikke blir redusert når et ettergivende grep er oppnådd. Et grep som er både fast og kompatible er avgjørende for gripende applikasjoner spesielt i kirurgi. Utfallet kan bli ytterligere analysert ved å gjennomføre pilotmuse forsøk for å evaluere resultatene av myke gripe i å holde musen nerve og til å undersøke omfanget av skaden gjort til nerve nården myke holdeanordningen blir brukt i forhold til når pinsett anvendes.

Figur 1
Figur 1. 2D CAD-tegninger av formene som brukes for fremstilling av toppstrukturen av de elastomere myke robot pneumatisk gripeinnretninger: (A) dobbel-aktiverbar-arm, og (B) enkelt- aktiverbar-arm (alle dimensjoner i mm). Veggtykkelsen er 2,5 mm for alle formene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Opprette formen i CAD. (A) Extrude kutte et hulrom for støping elastomerer. (B) Lag et kammer komponent i mold. (C) Lag et hulrom for støping av elastomerer for gripe komponent. (D) Ekstruder snitt en forbindelse mellom kammeret og griperen komponent. (E) Extrude skjære to hull for å holde wire å skape pneumatiske kanaler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Fabrication fremgangsmåten ifølge den myke dobbel-aktiverbar arm pneumatisk gripe. (A) fast to kammer-blokker og sette inn to trådstenger for å skape pneumatiske kanaler som er koblet til et kammer. Hell elastomer i formen og herde helt gripedelen. (B) Ta av wire og kammer-blokker og sette en gripe-blokk på toppen av gripe komponenten for å opprettee kammeret. Hell elastomer i formen for å gjøre kammeret komponenten. (C) Bond griper struktur og 2,5 mm lag sammen for å skape et lufttett fylte kammer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. 2D CAD-tegninger av håndteringsverktøy for manuell drift for å forenkle kompresjon kammer (A) håndteringsverktøyet, (B) rektangulær hette, og (C) bevegelig stempel (alle dimensjoner i mm og vekten er 2: 3. mindre dette er spesifisert). klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 5. 2D CAD-tegninger av håndteringsverktøy for robotkontrollmodus for å lette kammer kompresjon (A) Håndtering verktøy, og (B) rektangulær cap (alle dimensjoner i mm og vekten er 2: 3 mindre dette er spesifisert).. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Evaluering av gripende tester av de foreslåtte gripe enheter. Fotografier av myk robot (A) single-påvirkbar-arm, og (B) dobbelt påvirkbar arm pneumatisk gripe enheter før (venstre) og ved (til høyre) gripende 1,2 mm diameter wire.


Figur 7. Gripekomprimerende krefter som genereres av de to forskjellige myke robot pneumatisk gripeinnretninger, og de ​​to (elastomer-belagte og ubelagte) tang i grep kompresjonstest. En kraft avføle motstanden er lagt inn mellom de to kjevene til gripe / pinsett og den griper kjever / tang grep på sensorområdet i hver test. Feilstolpene representerer standardavvik.

Figur 8
Figur 8. 2D CAD-tegninger av formene som brukes for fremstilling av toppstrukturen av det myke robot kroken pneumatisk gripe. Den pneumatiske kanalen er plassert nærmere den nedre overflate av krokgripedelen og den vil bøyes oppover ved trykksetting.

Påbygging fil 1. Design av håndteringsverktøy. Trinnvis detaljer om utformingen av håndteringsverktøy som er involvert i CAD-programvare. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplerende fil 2. 3D skriverens brukerhåndbok. Denne brukerhåndboken inneholder instruksjoner for bruk av skriveren. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har nå vist at de myke robot pneumatisk gripe enheter som er tillatt i samsvar gripende av gjenstander, som utøves mye lavere kompresjonskrefter på grepne gjenstanden enn Elastomerbelagt tang tips og tang utøves. Tang er et viktig verktøy for nerver manipulering i løpet av perifer nervereparasjon surgeries 11, 12. Men den metalliske strukturen som kreves ekstrem forsiktighet i bruk fra de kirurger for å forebygge nerveskade forårsaket av overdreven gripekrefter og den tilfeldige skader det omgivende vev. Avhengig av alvorligheten av skaden, kan forskjellige komplikasjoner som strekker seg fra de mindre alvorlige som for, slik som smerte, til alvorlige som for, såsom blodpropp og til og med permanent uførhet, resultere. Med tanke på behovet for å hindre tilfeldig skade av nervevev i løpet av kirurgisk manipulering, våre foreløpige funn tyder på at disse myke robot pneumatiske gripe enheter er potensielle kandidater forkompletterer dagens tang under delikat vev manipulasjon ved å gi muligheten til å oppnå kompatibel grep. Den silikonbasert elastomer som brukes ved fremstilling av den myke griperen har en elastisitetsmodul på 0,8 x 10 5 Pa, noe som er sammenlignbare med de av myke, deformerbare humane muskler og vev 13, 14. Derfor vil den redusere risikoen for skade på vev, sammenlignet til motparten stive gripere.

Av alle de trinnene som er beskrevet, de mest kritiske trinn er plasseringen av de pneumatiske kanaler i formen utforming, eliminering av de innestengte luftbobler før herdeprosessen, og tetting av luftkammeret. De pneumatiske kanalene bør ikke plasseres for nær den ytre vegg av holdeanordningen, for å hindre at aktuatoren fra å briste ved lave trykk. Eventuelle innesluttede luftbobler bør fjernes før herding, da dette vil fjerne potensielle feilpunkter, for derved til slutt å forbedre ytelsen til griperen.Griperen Strukturen bør bindes godt til det tettende lag for å skape et lukket kammer som er i stand til å lagre luft uten lekkasje.

Ulike fabrikasjon teknikker har også blitt foreslått å bygge myke mikro aktuatorer for gripende applikasjoner 15-17. For eksempel, Lu & Kim 15 foreslått en microhand laget med tre trinnene i myk litografi prosess. I dette tilfelle er det microhand stand til å manipulere forholdsvis små gjenstander, men en ekstern komprimert nitrogensylinder er nødvendig for dets aktivering. Flere nylig, Rateni et al. 16 utviklet en myk kabel-drevet robot gripper hvor de myke fingrene ble gjort ved å kaste silikon i 3D-trykt muggsopp. I stedet for at pneumatiske kanaler på midten av gripearmen, er robotgriperen påvirkes av en servomotor med kabler som er koblet til fingeren. BREGER et al. 17 foreslått en selvstendig folding myke microgrippers laget med sekvensiell fotolitografi process. Fremstillingsprosessen og kontroll ordninger som er involvert er kostbare og komplekse. På den annen side, er den foreslåtte fabrikasjon prosessen enkel, rimelig og kan gjennomføres innen fire timer, inkludert tiden for 3D printing av formene og håndteringsverktøy. Den myke gripe besitter fascinerende egenskaper som lav komponent kostnader, vanntett og ikke-etsende. Den minimale kompleksiteten involvert i å kontrollere den myke gripe tillot at den kan brukes i ulike gripe applikasjoner og være lett vedtatt av brukerne.

Fabrikasjon prosessen beskrevet i denne studien hovedsakelig involvert i 3-D utskriftsteknologi og en stang basert tilnærming for å skape pneumatiske kanaler. Det viser muligheten for å skape tilpassgripe design ved å variere mold design. En myk robot krok pneumatisk gripe ble gjort ved hjelp av en modifisert form med en krok gripekomponent og et kammer komponent (figur 8). Det vist at griperen utforming ca.n enkelt endres og fabrikkert til lave kostnader. Bruken av stangen for å skape pneumatiske kanaler tillates ved fremstilling av miniatyriserte myke robotgriperne. Det vist at denne tilnærmingen er egnet for opprettelse av miniatyrisere myke roboter for å hindre tilstopping av de små pneumatiske kanaler under forseglingsprosessen utført på konvensjonell fabrikasjonsprosessen av myke roboter. Men i noen tilfeller når en ny støpeform som først ble brukt for støping av elastomer, kan den ytre overflate av den herdede griperen blir klebrig. Hvis dette skjer, bør griperen plasseres inne i ovnen for ytterligere herding før stickiness av overflaten er borte. I tillegg bør det utvises forsiktighet for å sikre at tetningen er godt og bunnkammerveggen ikke har bobler. Legg merke til at det området hvor det er to hull som passerer gjennom veggen, som er beregnet for innføring av trådstenger, har en høyere sannsynlighet for å inneholde innesluttede luftbobler i forhold til den andre regioner. Et ytterligere lag av elastomert materiale kan påføres ved hjelp av en børste på kantene av tetningssjiktet og bunnveggen for å forbedre robustheten av griperen.

Det unike med den foreslåtte teknikken er å innlemme ideen om å skrive ut et kammer komponent på formen for å skape en luftfylt kammer for aktivering. Kammeret komponent i den myke robotgripeinnretninger tillater gripe trykkraft som skal styres gjennom kompresjon av kammeret. I forhold til eksterne luftkilder, slik som bærbare pumper, som er mye vedtatt for bruk for de myke roboter, manuell drift av kontroll er mulig med tilstedeværelse av kammeret komponenten. Det er spesielt viktig for kirurgisk manipulering der kirurger foretrekker å være i stand til å faktisk føle og kontrollere mengden kraft som de søker. Fordelen med kammeret komponenten er at det også tillates automatisk modus av kontroll ved å innlemme en lineæraktuatoren inn i håndteringsverktøy. Derfor kan både manuell og automatisk drift av kontroll gjøres med kammeret komponent som er koblet til de pneumatiske kanaler for aktivering. Disse lave kostnader avtagbare myke robotgriperen er konstruert for engangsbruk, noe som betyr at det ikke er behov for gjen sterilisering for gjentatt bruk. Håndteringsverktøy er steriliserbare, og de myke robotgriperne kan innsettes lett før kirurgisk manipulasjon er utført. Tegninger av disse myke pneumatiske kirurgiske gripe enheter ytterligere tillate inter-endring av ulike enhets design i en enkel håndtering verktøy for å dekke ulike gripe krav.

Men denne teknikken ses i noen begrensninger. Først blir to separate fremgangsmåter for å fremstille gripekomponenter og kammerkomponentene for å koble de pneumatiske kanaler og kammerdelen sammen, og en tettende prosess er nødvendig for kammeret. Selv om det fjerner need av eksterne luftkilder, det øker tiden i casting de myke robotgriperne. For det andre, ble det maksimale trykk som kan påføres på de pneumatiske kanaler begrenset av den elastomere egenskaper. Større trykkrefter kan genereres ved hjelp av en stivere elastomer eller forsterke elastomeren med fibre for å forhindre brudd av de luftfylte kanaler. For eksempel kan silke fibre, som er mye brukt som et kirurgisk sutur materiale eller stillasene på grunn av deres biokompatibilitet og fremragende mekaniske egenskaper, kan anvendes for å forsterke de myke griperne 18. Avhenger av de forskjellige programmene, er elastomer med høyere stivhet nødvendig for å sikre balansen mellom kompatibel og sikkert grep. I tillegg kan en kompatibel gripe- og jevn kontakt med overflaten av den foreslåtte gripe forårsake glidning å finne sted. Imidlertid, tilpasningsdyktig kontakt, en av de viktigste iboende egenskapene til silikon gummi, tillot griperen for å samsvare med overflaten konturen av objektet. Vitror at denne tilpasningsevne forbedrer indirekte stabiliteten av gripe. Modifikasjon på gripeflater, som for eksempel å innlemme tennene design i kontaktflaten kan bistå i å gi stabile håndtak. Til slutt, i forhold til andre myke gripelister med tre eller flere armer 15-17, grepet forestillinger av den foreslåtte to kjever robotgriperen i form av stabilitet er mindre gunstige.

Denne teknikken er svært skalerbar, der ulike myke robotgriperne som spenner fra liten skala, for eksempel kirurgiske gripere, til stor skala, for eksempel håndgripelister i industri samlebånd, kan være fabrikkert. Spesielt kan ulike gripere tilpasses basert på design av formene. For eksempel kan en hybrid nerve griper som kombinerer både den myke gripedelen og en stiv nerve krok tilbaketrekkingshylsen bli foreslått for anvendelse i kirurgisk manipulasjon. Den myke gripedelen er omsluttet av en rektangulær foringsrør, og det vil blåse nær tuppen area for å holde nerven på kroken tilbaketrekkings når trykk påføres til kanalen. Den takler en vanlig begrensning for bruk av kjever gripper som kjevene tendens til å skyve gjenstander utover når de lukker, noe som utgjør visse vanskeligheter med å fatte. Det vil være nyttig å øse opp nerver og deretter gi en kompatibel grep, mens de myke kjever griperne kunne bare grep og plukke opp gjenstander som ikke allerede er i kontakt med noen overflater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Forskningen ble støttet av 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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tolley, M. T., et al. A resilient, untethered soft robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
  2. 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).
  3. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
  4. Lee, W. J., Chan, C. P., Wang, B. Y. Recent advances in laparoscopic surgery. Asian J Endosc Surg. 6 (1), 1-8 (2013).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. PNAS. 108 (51), 20400-20403 (2011).
  9. Objet 260 Connex User Guide. , http://www.objet.com (2016).
  10. Force Sensing Resistor Integration Guide & Evaluation Parts Catalog with Suggested Electrical Interfaces. , https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf (2002).
  11. Dagum, A. B. Peripheral nerve regeneration, repair, and grafting. J Hand Ther. 11 (2), 111-117 (1998).
  12. 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).
  13. Rus, D., Tolley, M. D. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
  14. 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).
  15. Lu, Y. W., Kim, C. J. Microhand for biological applications. Appl Phys Lett. 89, 1641011-1641013 (2006).
  16. 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).
  17. Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Appl Mater Inter. 7 (5), 3398-3405 (2015).
  18. 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).

Tags

Bioteknologi Myke robotikk Myke gripe enheter 3D-printing Soft litografi Pneumatiske kanaler Soft kompatibel gripende delikat vev manipulasjon
Rod-baserte Fabrikasjon av Tilpass Soft Robot Pneumatiske gripeinnretninger for Delikat Tissue Manipulasjon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Low, J. H., Yeow, C. H. Rod-basedMore

Low, J. H., Yeow, C. H. Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation. J. Vis. Exp. (114), e54175, doi:10.3791/54175 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter