Tasarım ve Yumuşak Modüler Robotlar için bir Elastomerik Birimi Fabrikasyon Minimal İnvaziv Cerrahi

Bu protokolün genel amacı, minimal invaziv cerrahide kullanılmak üzere multimodal bir manipülatöre entegre edilecek yumuşak bir ünite üretmektir. Bu yöntem, yüksek becerikliğe ve sertleşme kabiliyetine sahip yumuşak bir manipülatörün üretim prosedürünün nasıl optimize edileceğini göstererek yumuşak robotik alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, çok hızlı ve düşük maliyetli olmasıdır.

Ek olarak, manipülatörün performansını artırmak için multimodal bir mimari oluşturmak amacıyla nihai ürün çoğaltılabilir. Genel olarak, bu yöntemde yeni olan kişiler zorluk yaşayabilirler çünkü karmaşık şekillere sahip silikon modüller genellikle çok aşamalı bir döküm prosedürü gerektirir ve optimizasyon süreci sıklıkla zaman alıcıdır. Bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi kritiktir; zira dış kalıp üretim adımları, nihai amaç için tamamen modifiye edilmiş ticari bir kalıba dayandıkları için öğrenilmesi zor süreçlerdir.

Prosedür, laboratuvarımdan PhD öğrencisi Jada Bon ve araştırma asistanı Margarita Blanco tarafından gösterilecektir. Silikonu hazırlamak için aynı Petri kabına 12 gram A parçası ve 12 gram B parçası ekleyin ve bunları birlikte karıştırın. Ardından, karıştırılmış silikonu bir bar vakum basıncı altında bir DGAs'ye yerleştirin.

Silikon materyaldeki tüm kabarcıklar giderilene kadar materyali vakum altında tutun. Bu işlem genellikle yaklaşık 10 dakika sürer; materyaller tamamen kabarcıklardan arındığında vakumu bırakın ve artık kullanıma hazır olan silikonu çıkarın. Önce sertleştirici silindiri ve bölme üst kısımlarını A kapağına yerleştirip ardından kabukları çevresinden kapatarak kalıbı monte edin.

Silikonu, montajı tamamlanmış kalıbın içine, kabukların kenarına kadar dökün. Fırını 60 °C sıcaklığa ayarlayın ve doldurulmuş kalıbı fırına yerleştirin. Silikonun yaklaşık 30 dakika boyunca kürleşmesini bekleyin.

Sertleşmiş silikondan dış kabukları ve A kapağını çıkarın. Ardından, odacıkların tabanından gelen silikon modülleri ve sertleştirici silindiri B kapağının içine yerleştirin. Kabukları modülün etrafında tekrar kapatın; modülün üst yüzeyi ile kabukların kenarları arasında 10 mm boşluk kalacak şekilde onları 10 mm yukarı kaydırın. Yeniden düzenlenen kalıbın içine, üst taraftaki kabuk kenarlarına kadar ek silikon dökün.

Yeni dökülmüş silikonu 60 °C'deki bir fırında yaklaşık 30 dakika boyunca kürleyin. Dış gövde kapağını (B) ve sertleştirme silindiri hariç tüm bölmeleri çıkarın. Üç milimetre çapındaki silikon tüpleri yaklaşık 30 cm uzunluğunda kesin.

Her bir tüpün bir ucunun dış kısmına, ilk 10 milimetre boyunca silikon yapıştırıcı sürün. Ardından tüpleri, silikon ünitedeki iki milimetrelik özel kanalların içine yerleştirin.

Yapıştırıcının 12 dakika boyunca kürlenmesini bekleyin. Oda sıcaklığında, 70 santimetre uzunluğunda genişleyebilir örgü kılıf kesin ve ardından kılıfın içine üç santimetre çapında ve 25 santimetre uzunluğunda metalik bir silindir yerleştirin. Sonrasında, kıvrımlar oluşturmak için kılıfı silindirin üzerine doğru bastırarak zorlayın.

Kılıfı bir kelepçe ile mekanik olarak sabitleyin ve bir ısı tabancasıyla 350 °C'de iki ila üç dakika boyunca ısıtın. Kalıcı bir deformasyon elde etmek için kılıfın oda sıcaklığına soğumasını bekleyin ve ardından iç silindiri çıkarın. Silikon ünitesinden gelen tüpleri C kapağının deliklerinden geçirin. Ardından, C kapağına üç gram DGA silikonu dökün ve daha önce hazırlanmış olan modülün alt tarafını C kapağının içine kaydırın. Sıkıştırılmış kılıfı modülün etrafına geçirin, ilk sıkıştırmaları C kapağının içine itin ve bunları yeni dökülmüş silikonun içine daldırın.

Fırını 60 °C sıcaklığa ayarlayın ve örneği yaklaşık 20 dakika boyunca içine yerleştirin. Silikon kürlendikten sonra, kılıfı üst taraftan sabitlemek için kapak D'yi kullanarak aynı işlemi diğer taraf için tekrarlayın. Silikon üst tarafta da kürlendiğinde, modülün alt ve üst kısmındaki kapak C ve kapak D'yi sırasıyla çıkarın.

Son olarak, sertleştirici silindiri tüm silikon üniteden çıkarın. Plastik bir bardağa birkaç gram sıvı lateks dökün ve yüzey tamamen kaplanana kadar içerideki membran silindirini sıvı lateksin içine daldırın. Ardından silindiri lateksten çıkarın ve membranın çeker ocak altında 20 dakika boyunca kurumasına izin verin.

Ardından, malzemeyi tekrar latekse daldırarak ve 20 dakika daha kurumaya bırakarak ikinci bir katman oluşturun. Kuruduktan sonra membranı kalıptan çıkarın. İki milimetre çapındaki bir tüpü 30 santimetre uzunluğunda kesin.

Ardından, 10 milimetreye 10 milimetre boyutunda bir naylon doku parçası alın ve tüpün bir ucunu bu dokuyu kullanarak hızlı yapıştırıcı ile kapatın. Daha sonra, yaklaşık dört gram granül kahve tartın ve membranı tozla mümkün olduğunca doldurun. Tüpün filtreli ucunu dolu membranın içine yerleştirin ve tüpün etrafına sabitleyin.

Plastik bir film kullanarak, membranı sertleştirmek için tüpün diğer tarafına vakum uygulayın ve ardından membranı silikon modülün boş merkezi kanalının içine yerleştirin. Daha sonra, sertleştirilen membranın uçlarını silikon modüle yapıştırın. Modülün alt tarafındaki halkayı kapatın.

Yüzeyi düzlemek için halkaya bir miktar taze silikon dökün ve silikonun bir çeker ocuk altında kurumasını bekleyin. Son olarak, halkaları çıkarın ve aynı prosedürü modülün üst tarafı için tekrarlayın. Her üç hazne aynı basınçla eş zamanlı olarak harekete geçirildiğinde, modül sıfır bar değerindeki 50 milimetre uzunluğundan başlayarak uzar; 0,65 bar basınç ile modül, yaklaşık %66'ya denk gelen 33,3 milimetrelik bir uzama ile 83,3 milimetreye ulaşır. Haznelerden yalnızca bir veya ikisinin kullanılması düzeneğin bükülmesine neden olacaktır.

Modül, tek odacık bükülmesinde 120 dereceye kadar, iki odacık bükülmesinde ise 80 dereceye kadar bükülebilmektedir. Her iki durumda da, odacıklar yaklaşık 0.3 bar şişirildiğinde belirgin bir bükülme başlar. Modül, tek bir odacık aktive edildiğinde 24.1 Newtons'tan başlayarak üç odacık şişirildiğinde 47.1 newtons'a kadar kuvvet üretebilmektedir.

Bu teknikte uzmanlaşıldığında, uygun şekilde uygulandığı takdirde işlem dört saat içinde tamamlanabilir. Bu teknik, yumuşak robotik alanındaki araştırmacıların yumuşak yapılar için akışkanik, aktüasyon ve değişken sertlik teknolojilerinin kombinasyonunu keşfetmelerine olanak sağlar. Bu videoyu izledikten sonra, yumuşak malzemelerin kalıplanmasının nasıl yönetileceği ve esnek 3D hesaplayıcıların değişken sertlik mekanizmasıyla nasıl entegre edileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.

Silikon ve lateks ile çalışmanın oldukça tehlikeli olabileceğini unutmayın; bu prosedürü gerçekleştirirken çeker ocak altında çalışmak ve eldiven giymek gibi önlemler her zaman alınmalıdır.