Die Forschung wurde von R-397-000-204-133 unterstützt (National University of Singapore Young Investigator Award).

<html> Hinweis: Alle weichen pneumatischen Greifern wurden hergestellt, indem auf Silikonbasis Elastomermischungen in maßgeschneiderte 3D-Druckgussformen, die ein Herstellungsverfahren, das drei Schritte folgen: Formen Greifer-Arm-Komponenten mit eingebetteten pneumatischen Kanäle, Kammerkomponenten-Formen mit den pneumatischen Kanälen verbunden und Versiegeln des Kammerbauteils mit Luft gefüllt. 1. Herstellung von Elastomeren <ol><li> Einen Behälter für Mischer auf einer Waage stellen und tarieren. Pour Teile A und B des silikonbasierten Elastomers in dem Behälter mit einem 1: 1-Gewichtsverhältnis. </li><li> Decken Sie den Behälter und messen das Gesamtgewicht. </li><li> Stellen Sie den Behälter und Material in einen Zentrifugalmischers. Stellen Sie die Gewichtsbalance auf dem Mischer auf das Gewicht gemessen in Schritt 1.2. </li><li> Stellen Sie die Misch- und Entlüftungsmoden zu 2.000 rpm und 2.200 rpm jeweils für 30 sec. Mischen Sie die Elastomerkomponenten gründlich einheitliche Härtung zu erreichen. </li></ol>le &quot;&gt; 2. Mold Design und Produktion Hinweis: Die Geometrie der Form variieren für verschiedene Anwendungen auf den spezifischen Anforderungen variieren. Die folgenden Schritte stellen allgemeine Schlüsselschritte in CAD-Software, die erforderlich sind, um die Kammer und Greiferkomponente der Form zu erstellen. <ol><li> Gestalten Sie die Formen und Versiegelungsform mit Computer-Aided Design (CAD) Software. Siehe Abbildung 1 für die Geometrie und die spezifischen Abmessungen der Formen in diesem Manuskript verwendet. <ol><li> Gestaltung der äußeren Begrenzungskasten <ol><li> Klicken Sie rechts auf der oberen Ebene und klicken Sie auf &quot;Normal&quot;, um zur oberen Ebene zu normalisieren. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Sketch&quot; in der oberen linken Ecke ein &quot;Sketch&quot; Fenster zu öffnen. Dann klicken Sie auf den &quot;Sketch&quot; -Taste auf der linken oberen Ecke der Symbolleiste eine rechteckige Grundfläche von Kammerkomponenten zu ziehen. </li><li> Klicken Sie auf das &quot;Smart-Dimension&quot; -Funktion, die neben der &quot;Sketch&quot; Taste befindet, zu definieren skEtch-Dimensionen. Stellen Sie sicher , dass die Skizze voll definiert ist (dh alle Zeichnungslinien schwarz werden) und die Skizze beenden , wenn Sie fertig. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Boss / Base&quot; Feature ausgewählten Konturen in der Y-Richtung zu extrudieren. </li><li> Klicken Sie auf die obere Oberfläche des Modells die Skizze Ebene vorgewählt. Skizzieren Sie ein Rechteck und definieren die Dimensionen wie in 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Cut&quot; -Funktion , um einen Hohlraum zu extrudieren geschnitten zum Gießen Elastomere (2A). Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist. </li></ol></li><li> Design der inneren Kammer <ol><li> Klicken Sie rechts auf der Oberfläche, auf der Y-Richtung der Öffnungsfläche. Klicken Sie dann auf &quot;Normal&quot; auf die Oberfläche zu normalisieren. </li><li> Als nächstes klicken Sie auf den &quot;Sketch&quot; Fenster ein Rechteck für Kammerkomponenten zu zeichnen, wie 2.1.1.2 in den Schritten und2.1.1.3. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Boss / Base&quot; Funktion , um die Kammer Komponente in der Y-Richtung (2B) zu extrudieren. Hinweis: Die Tiefe des Schnitts in Schritt 2.1.1.6 beträgt 2,5 mm größer als dieser extrudierten Basis. </li></ol></li><li> Aufbau des Greifers Komponente <ol><li> Klicken Sie auf die Oberfläche des Modells in negativer X-Richtung, um die Skizzierebene für Greiferkomponente vorgewählt werden. Erstellen Sie ein Rechteck in der &quot;Sketch&quot; Fenster wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Boss / Base&quot; Funktion, um die ausgewählte Kontur in negativer X-Richtung zu extrudieren. </li><li> Klicken Sie auf die Oberseite des Greiferkomponente die Skizzierebene vorgewählt. Erstellen Sie eine Form der Greifer in der &quot;Sketch&quot; Fenster (Abbildung 2C) und die Skizze zu schließen , wenn die Dimensionen voll wie ein in den Schritten definiert ist 2.1.1.2d 2.1.1.3. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Cut&quot; einen Hohlraum zu schneiden für Elastomere in der Greiferkomponente Gießen. Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist. </li></ol></li><li> Aufbau der Verbindung zwischen Kammer und Greifer <ol><li> Erstellen Sie ein Rechteck in der &quot;Sketch&quot; Fenster auf der Oberseite des Kammerstück wie in 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Cut&quot; , um eine Verbindung zwischen der Kammer und Greiferkomponenten (2D) erstellen. </li></ol></li><li> Entwurf der pneumatischen Kanäle <ol><li> Erstellen 1,5 mm Durchmesser Kreise auf der Oberfläche der Kammer Stücks in der positiven X-Richtung, wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Cut&quot; auf die Kanäle zum Einsetzen Drahtstäben erzeugen (Abbildung 2E). Stellen Sie sicher, das holes sind nicht durch die Greifkomponente geschnitten. </li></ol></li></ol></li><li> In einem separaten CAD-Datei, zeichnen ein Versiegelungsform mit einem Hohlraum mit einer Länge und Breite, die mit 1 mm größer als die Außenabmessungen des Kammerbauteils des Greifers sind. Hinweis: Die Wandstärke 2,5 mm ist. <ol><li> Klicken Sie auf das &quot;Sketch&quot; Fenster ein Rechteck auf der oberen Ebene, wie beschrieben Schritte 2.1.1.2 und 2.1.1.3 zu erstellen. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Boss / Base&quot; Feature ausgewählten Konturen in der Y-Richtung zu extrudieren. </li><li> Klicken Sie auf die Oberseite des Modells die Skizze Ebene vorgewählt. Skizzieren Sie ein Rechteck und definieren die Dimensionen wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3). </li><li> Klicken Sie auf &quot;Eigenschaften&quot; Fenster. Dann klicken Sie auf &quot;Extruded Cut&quot; -Funktion, um einen Hohlraum zu extrudieren geschnitten Elastomere zum Gießen. Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist. </li></ol></li><li> Speichern Sie jede Form Stück als .STL--Datei für den 3D-Druck. </li&gt; <li> Laden Sie die STL - Datei in den 3D - Drucker mit einer Auflösung von 30 um und drucken die Formstücke 9. </li><li> Entfernen Sie alle Trägermaterial auf die Formstücke und waschen Sie die Formstücke mit Wasser. </li></ol> 3. Weiche Einzel / Doppel-ansteuerbaren Arm Pneumatische Greifer <ol><li> Molding Greifer-Arm-Komponenten mit integrierten pneumatischen Kanäle <ol><li> Einfügen zwei 3D-Druckkammer-Blöcke auf der linken und rechten Seite des Kammerbauteils (3A) , um eine abgedichtete Kammer mit Luftkanälen mit ihm verbunden zu erzeugen. </li><li> Legen Sie zwei 1,5 mm-Durchmesser Titan Drahtstäbe durch die Kammer, eine 2 mm Abstand von den Greiferspitzen halten die Luftkanäle (3A) zu erstellen. Hinweis: Verwenden Sie eine Drahtstange für den einzelnen zu betätigende-Arm-Greifer. </li><li> Gießen Sie die elastomere Mischung in die Form, um vollständig den Greifer Komponente zu füllen. </li><li> Stellen Sie sicher, es gibt keine sichtbaren Luftblasen. </li><li> Place die Form in den Ofen für 10 min bei 60 ° C gehärtet wird. Sobald Elastomer ausgehärtet ist, entfernen Sie die Form aus dem Ofen. </li></ol></li><li> Formkammerkomponenten zu den pneumatischen Kanälen verbunden <ol><li> Ziehen Sie die Drahtstäbe und die beiden Kammerblöcke aus der Form. </li><li> Platzieren eines 3D-Druckgreiferblock auf der Oberseite des Greiferkomponente, um die Kammer (3B) zu erzeugen. Legen Sie die Drahtstäbe die Löcher in der Wand der Form zu blockieren. </li><li> Gießen der elastomeren Mischung in die Form des verbleibenden Teils des Kammerbauteils zu füllen und sicherstellen, dass keine sichtbaren Luftblasen in der Form eingeschlossen ist. </li><li> Härten des Teils bei einer Temperatur von 60 ° C für 10 min. Entfernen Sie die Form aus dem Ofen einmal Elastomer gehärtet wird. </li><li> Entfernen Sie den Greifer-Block und Entformen der ausgehärteten Greifer mit Kammerstruktur. </li></ol></li><li> Die Abdichtung der Kammer Komponente mit Luft gefüllt <ol><li> Gießen Sie die elastomere Mischung in die Versiegelungsform undhärten bei 60 ° C für 10 min. </li><li> Pinsel eine Schicht aus elastomerem Material auf der gehärteten 2,5 mm Siegelschicht. Legen Sie die gehärtete Greifer mit Kammerstruktur auf der Oberseite der beschichteten Siegelschicht und verbinden die beiden Teile zusammen (3C). </li><li> Anschließend härten die gesamte Struktur vollständig bei 60 ° C für 15 min. </li><li> Entformbar die vollständig weichen Robotergreifvorrichtung ausgehärtet. </li></ol></li></ol> 4. Insertion von Soft-Robotic Pneumatische Greifvorrichtung in Handhabungswerkzeug <ol><li> Entwerfen Sie die Umgang mit Werkzeugen, wie in der Supplemental-Datei 1 CAD-Software beschrieben und speichern Sie es in .STL- Datei. Siehe 4 und 5 für die Abmessungen der Werkzeuge. </li><li> Laden Sie die STL - Datei in dem 3D - Drucker und drucken die Formstücke 9. Hinweis: Alle Druckschritte für die manuelle Steuerung der Handhabung Werkzeug, rechteckige Kappe und beweglichen Kolben (Abbildung 4) kann innerhalb von 3 h 48 min abgeschlossen sein. Die Öffentlichkeitsarbeitinting Zeit für die Robotersteuerung Herstellung Handhabung Werkzeug und rechteckige Kappe (Abbildung 5) ist 1 h 56 min. Siehe Zusatzdatei 2 für 3D-Drucker-Betriebsanleitung. </li><li> Ziehen Sie weg jedes Trägermaterial an den Werkzeugen, nachdem der Druck beendet ist. Dann waschen Sie die Werkzeuge mit Wasser. </li><li> Setzen Sie den Greifer in die manuelle Steuerung Handhabungswerkzeug (4A) und decken den Öffnungsbereich mit einem beweglichen rechteckigen Kappe (4B). </li><li> Legen Sie einen beweglichen Kolben (4C) Kammer Kompression zu erleichtern. </li><li> Setzen Sie den Greifer und Linearantrieb in die Robotersteuerung Handhabungswerkzeug (5A). Hinweis: Der Linearantrieb ersetzt den beweglichen Kolben im Handbetrieb für Kammerkompression. </li><li> Decken Sie die Öffnungsfläche mit einem beweglichen rechteckigen Kappe (5B). </li></ol> 5. Auswertungen und Grip Druckversuch <ol><li> Bewertendie Funktionalität des weichen Greifer durch Greifen Tests mit einem Überbrückungskabel durchführen. <ol><li> Legen Sie eine Drahtbrücke auf dem Tisch. </li><li> Stellen Sie den Greifer so dass der Draht zwischen der beiden Greifarme. </li><li> Bewegen Sie den beweglichen Kolben in die Kammer zu komprimieren, um die Greifarme zu betätigen, um den Draht zu halten. Hinweis: Nur die manuelle Steuerung Umgang mit Werkzeug in der Greif Demonstration verwendet wird. </li><li> Halten und den Draht zu einem Kasten wegbewegen ursprünglichen Position bei 20 cm entfernt von Draht ist. </li></ol></li><li> Legen Sie eine kalibrierte Kraftmesswiderstand zwischen den beiden Backen des Greifers. Sicherstellen, dass die Greifbacken Griff auf den Erfassungsbereich. Hinweis: Der Durchmesser des Sensorfläche beträgt 14,7 mm. </li><li> Komprimieren Sie die Kammer, um die Greifarme zu greifen auf die Kraftmesswiderstand zu betätigen. </li><li> Messen Sie die maximale Griffigkeit Druckkräfte , dass die weiche Single-ansteuerbaren-Arm und doppelt ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer erzeugen könnte , wie in 10 beschrieben. Anmerkung: Die ausgelesenen Werte werden auf einem Laptop angezeigt werden. Die maximalen Grip Druckkräfte an dem Punkt der maximalen Druck gemessen, der die pneumatischen Kanäle standhalten können. </li><li> Schneiden Sie die einzelnen elastomeren Greifbacken aus einem weichen Doppel ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer aus. </li><li> Legen Sie die Zangenspitzen in die Luftkanäle der elastomeren Greifbacken. </li><li> Legen Sie eine kalibrierte Kraftmesswiderstand zwischen den beiden Backen der Zange. </li><li> Messen Sie die Druckkräfte 10 , die durch elastomerbeschichteten Pinzette und Zange während einer simulierten Nervenchirurgie von einem Neurochirurgen durchgeführt. Hinweis: Der Neurochirurg eine Kraft, die ähnlich ist, was er gilt normalerweise während der tatsächlichen Operation an dem Kraftmesswiderstand. </li><li> Der Mittelwert der Daten aus fünf Studien in jedem Test erhalten. </li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Wir haben erfolgreich gezeigt, dass die weichen robotic pneumatischen Greifeinrichtungen nachgiebigen Greifen von Gegenständen erlaubt, die auf dem gegriffenen Gegenstand viel geringere Druckkräfte ausgeübt, als die elastomerbeschichteten Zangenspitzen und Zange ausgeübt wird. Zange ist ein wichtiges Instrument für die Nerven Manipulation während peripheren Nervenreparatur 11 Operationen, 12. Allerdings ist seine Metallstruktur von den Chirurgen , um in Gebrauch extreme Vorsicht erforderlich Nervenschäden zu verhindern , die durch übermäßige Greifkräfte verursacht und unbeabsichtigte Schäden an den umliegenden Geweben. Abhängig von der Schwere des Schadens, angefangen verschiedenen Komplikationen von den weniger schweren diejenigen, wie Schmerzen, schwere diejenigen, wie Blutgerinnsel und sogar dauerhafte Behinderung führen kann. Angesichts der Notwendigkeit zufälligen Beschädigung von Nervengewebe während chirurgischer Manipulation, unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass diese weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen sind mögliche geeignete Kandidaten zu verhindern, fürErgänzung Stromzange bei empfindlichen Gewebemanipulation durch die Fähigkeit konformen Griff zu erreichen bietet. Die silikonbasierten Elastomers bei der Herstellung des weichen Greifer verwendet wird, hat ein Elastizitätsmodul von 0,8 x 10 5 Pa, die mit denen von weichen deformierbaren menschlichen Muskeln vergleichbar ist und Gewebe 13, 14. Daher wird die Gefahr von Gewebeschäden zu reduzieren , im Vergleich mit seinem Gegenstück starren Greifer. Aller Schritte beschrieben, sind die wichtigsten Schritte der Positionierung der pneumatischen Kanäle im Formenbau, Beseitigung der eingeschlossenen Luftblasen vor dem Prozess der Härtung, und die Abdichtung der Luftkammer. Die pneumatischen Kanäle sollten nicht zu nahe, um an der Außenwand des Greifers positioniert werden, um den Antrieb vom Zerreißen bei niedrigen Drücken zu vermeiden. Eventuell eingeschlossene Luftblasen sollte vor dem Aushärten, da dies eliminiert werden potentielle Fehlerquellen zu entfernen, wodurch letztlich die Leistungsfähigkeit des Greifers zu erhöhen.Die Greiferstruktur sollte gut mit der Dichtungsschicht verbunden werden, um eine geschlossene Kammer zu schaffen, die Luft zu speichern, ohne Leckage kann. Verschiedene Herstellungstechniken haben auch weiche Mikroaktuatoren zu bauen zum Greifen Anwendungen 15-17 vorgeschlagen. Zum Beispiel Lu &amp; Kim 15 vorgeschlagen , eine microhand mit drei Stufen von Weich - Lithographie - Prozess hergestellt. In diesem Fall ist die microhand Lage relativ kleine Objekte zu manipulieren, sondern eine externe Druckstickstoffzylinder ist für seine Betätigung erforderlich ist. In jüngerer Zeit, Rateni et al. 16 entwickelt wurden , hergestellt mit einem weichen Kabel gesteuerten Robotergreifer , wo die weichen Finger von Silikon in 3D-Druckgussformen. Statt pneumatischer Kanäle in der Mitte der Greifarm aufweist, wurde das Robotergreifer durch einen Servomotor mit Kabeln an den Finger angeschlossen betätigt. Breger et al. 17 vorgeschlagen , eine Selbst Falten weichen Mikrogreifer mit sequentieller photolithographischen pr gemachtocess. Die Herstellungsverfahren und Kontrollsysteme beteiligt sind teuer und komplex. Auf der anderen Seite ist die vorgeschlagene Herstellungsverfahren ist einfach, kostengünstig und kann innerhalb von 4 Stunden, einschließlich der Zeit für den 3D-Druck der Formen und Handhabungswerkzeugen durchgeführt werden. Der weiche Greifer besitzt faszinierende Eigenschaften wie geringe Bauteilkosten, wasserdicht und nicht korrosiv. Die minimale Komplexität beteiligt in den weichen Greifer Steuerung erlaubt es in verschiedenen Greifanwendungen verwendet werden und leicht von den Nutzern angenommen werden. Das Herstellungsverfahren in dieser Studie beschriebenen hauptsächlich involviert die 3-D-Drucktechnik und eine Stange basierten Ansatz pneumatischen Kanäle zu schaffen. Es zeigt die Möglichkeit der Schaffung von anpassbaren Greifer Entwürfe durch das Formdesign variiert. Eine weiche Roboter pneumatische Greifer Haken wurde unter Verwendung einer modifizierten Form mit einem Hakengreifkomponente und einer Kammerkomponenten (Abbildung 8) hergestellt. Gezeigt, dass die Greiferkonstruktion can einfach bei geringen Kosten modifiziert und hergestellt werden. Der Einsatz des Stab pneumatischen Kanäle zu schaffen erlaubt die Herstellung von miniaturisierten weichen Robotergreifern. Gezeigt, dass dieser Ansatz für die Bildung der weichen Miniaturisieren Roboter geeignet ist, um Verstopfung der winzigen Luftkanäle während des Siegelvorgangs in herkömmlichen Herstellungsverfahren von weichen Roboter durchgeführt zu verhindern. Jedoch in einigen Fällen, wenn ein ganz neues Form ersten zum Gießen des Elastomers verwendet wird, kann die äußere Oberfläche des gehärteten Greifers klebrig werden. Wenn dies auftritt, sollte der Greifer im Inneren des Ofens für zusätzliche Aushärtung gebracht werden, bis der Klebrigkeit der Oberfläche verschwunden ist. Außerdem sollte darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass die Dichtungs gut ist und die untere Kammerwand Blasen nicht aufweist. Man beachte, dass der Bereich, in dem es zwei Löcher durch die Wand vorbei, die zum Einsetzen der Drahtstäbe vorgesehen sind, eine höhere Wahrscheinlichkeit enthält, eingeschlossene Luftblasen zu dem anderen reg verglichen hatIonen. Eine zusätzliche Schicht aus elastomerem Material kann mit einer Bürste auf die Ränder der Dichtungsschicht und der Bodenwand, um die Robustheit des Greifers zu verbessern, angewendet werden. Die Besonderheit der vorgeschlagenen Technik ist es die Idee der Druck eines Kammerbauteils auf der Form zu übernehmen eine luftgefüllte Kammer zur Betätigung zu schaffen. Die Kammerkomponente in den weichen Robotergreifvorrichtungen ermöglicht es dem Griff Druckkraft durch die Kompression der Kammer gesteuert werden. Im Vergleich zu externen Luftquellen, wie beispielsweise tragbare Pumpen, die zur Verwendung weithin angenommen werden für die weichen Roboter, Handbetrieb der Steuerung ist mit dem Vorhandensein des Kammerbauteils erreicht werden. Es ist besonders wichtig für die chirurgische Manipulation, wo die Chirurgen tatsächlich in der Lage sein es vorziehen, zu fühlen und den Betrag der Kraft steuern, die sie anwenden. Der Vorteil des Kammerbauteils ist, dass es auch die automatische Steuermodus durch Einarbeiten eines linearen erlaubtStellantrieb in die Handhabungswerkzeuge. Daher sind sowohl die manuelle als auch automatische Steuermodus kann mit der Kammerkomponenten zu den pneumatischen Kanälen zur Betätigung verbunden erfolgen. Diese kostengünstigen abnehmbaren weichen Robotergreifern für den einmaligen Gebrauch ausgelegt, was bedeutet, dass es keine Notwendigkeit einer erneuten Sterilisierung für eine wiederholte Verwendung. Die Handhabung Werkzeuge sind sterilisierbar und die weichen Robotergreifer können leicht eingefügt werden, bevor die chirurgische Manipulation durchgeführt wird. Die Entwürfe dieser weiche pneumatische chirurgische Greifeinrichtungen ermöglichen ferner die Inter Wechsel der verschiedenen Gerätedesigns in einem einzigen Handhabungswerkzeug unterschiedliche Greif Anforderungen anpassen. Jedoch benötigt diese Technik in einigen Einschränkungen betrachtet werden. Zunächst werden zwei separate Verfahren notwendig, um die Greifteile und die Kammerkomponenten zur Herstellung der pneumatischen Kanäle und Kammerbauteil miteinander zu verbinden, und ein Dichtungsverfahren wird für die Kammer erforderlich. Obwohl entfernt es die need externe Luftquellen, erhöht sich die Zeit, um die weichen Robotergreifern in Gießens. Zweitens ist der maximale Druck, der auf die pneumatischen Kanäle angewendet werden kann, wurde durch die Elastomereigenschaften begrenzt. Größere Druckkräfte können durch die Verwendung eines steiferen Elastomer oder Verstärkung des Elastomers mit Fasern erzeugt werden, um den Bruch der pneumatischen Kanäle zu verhindern. Zum Beispiel Seidenfasern, die als chirurgisches Nahtmaterial oder Gerüste aufgrund ihrer Biokompatibilität und hervorragenden mechanischen Eigenschaften weit verbreitet verwendet werden, können verwendet werden , um die Weich Greifern 18 zu verstärken. Abhängig von den verschiedenen Anwendungen, Elastomer mit höherer Steifigkeit erforderlich, um die Balance zwischen konformen und sicheren Halt zu gewährleisten. Zusätzlich kann eine nachgiebige Greif- und glatte Kontaktfläche des Greifers vorgeschlagen verursachen Schlupf auftritt. Jedoch anpassungs Kontakt, einer der Schlüssel intrinsischen Eigenschaften von Silikonkautschuk, erlaubt der Greifer an die Oberflächenkontur des Objektes anzupassen. Wirglauben, dass diese Anpassungsfähigkeit indirekt die Stabilität des Greif verbessert. Modifikation an den Griffkontaktflächen, wie beispielsweise Zähne Design in die Kontaktfläche enthält, kann bei der Bereitstellung von stabilen Griffen unterstützen. Schließlich ist , wie im Vergleich zu anderen weichen Greifer mit drei oder mehr Arme 15-17, die Griff Leistungen der vorgeschlagenen Zwei jawed Robotergreifer in Bezug auf die Stabilität sind weniger günstig. Diese Technik ist hoch skalierbar, wodurch verschiedene weiche Robotergreifern von kleinen Maßstab, wie chirurgische Greifer hin, um in großem Maßstab, wie Hand Greifern in industriellen Fertigungslinien können, hergestellt werden. Insbesondere können verschiedene Greifer auf die Gestaltung der Formen angepasst werden. Zum Beispiel kann ein Hybrid-Nerven Greifer, die sowohl das weiche Griffteil und einen starren Hakennerven Retraktor zur Verwendung kann vorgeschlagen werden, in der chirurgischen Manipulation kombiniert. Die weiche Greifkomponente ist in einem rechteckigen Gehäuse eingeschlossen, und es wird in der Nähe der Spitze ar aufzublasenea zum Halten der Nerv auf dem Aufroller Haken, wenn Druck auf den Kanal angewendet wird. Es befasst sich eine gemeinsame Begrenzung für die Verwendung von Backen Greifer als die Backen Objekte neigen dazu, nach außen zu drücken, wenn sie schließen, die beim Greifen gewisse Schwierigkeit darstellt. Es wird nützlich sein, um die Nerven zu schöpfen und dann einen kompatiblen Grip, während die weiche Backen Greifer konnte nur greifen und Gegenstände aufnehmen, die mit irgendwelchen Oberflächen nicht bereits in Kontakt stehen.

Soft - Roboter haben große Forschungsinteresse in der Robotik - Community ausgelöst , und sie haben in verschiedenen funktionellen Aufgaben wie welligen Lokomotion in unstrukturierten Umgebungen 1 und Greif 2 verwendet. Sie werden hauptsächlich aus weichen elastomeren Materialien bestehen und durch verschiedene Betätigungsverfahren durch die Verwendung von verschiedenen Materialien , wie beispielsweise elektroaktives Polymer (EAP) gesteuert, Formgedächtnislegierung (SMA) oder komprimiertem Fluid 3. EAPs Funktion basiert auf einer Differenzspannung, die elektrostatischen Kräfte induziert aktive Stämme zu erzeugen, und erzeugt dadurch Betätigung. Die eigentümliche Formgedächtniseffekt des FGL wird eingesetzt, um die gewünschte Betätigung auf der Krafterzeugung während Phasenumwandlungen auf die Änderung der Temperatur zu generieren. Schließlich erleichtert das komprimierte Fluid Betätigungs Technik eine einfache Konstruktionsstrategie Steifigkeitsunterschied in den Weich Aktoren zu induzieren, so dass die nachgiebiger Regionen aufzublasenbei Druckbeaufschlagung. Soft-Roboter sind so konzipiert, die Anwendungen von herkömmlichen Fest Roboter, vor allem in Anwendungen zu erweitern, wo empfindliche Objekte beteiligt sind. Insbesondere in diesem Beitrag stellen wir unseren einzigartigen Ansatz in weichen Robotergreifer für empfindliche chirurgische Manipulation zu entwickeln. Chirurgisches Greif ist ein wichtiger Aspekt bei vielen chirurgischen Prozeduren , wie beispielsweise Leber beteiligt, gynäkologische, urologische und Nervenreparatur Operationen 4, 5. Es wird in der Regel durch starr ausgeführt, Stahlgewebegreifwerkzeuge , wie beispielsweise die Pinzetten und laparoskopischen Greifer zum Zweck der Erleichterung Beobachtung, Exzision, Anastomose Verfahren usw. Allerdings ist extreme Vorsicht geboten , da die herkömmlichen Greifwerkzeuge aus Metall hergestellt sind, die eine hohe Spannungskonzentration Bereiche im Weichgewebe an den Kontaktpunkten 6 führen kann. Je nach Schwere der Gewebeschäden, verschiedene Komplikationen, wie Schmerzen, pathologische Narbengewebe formationen und sogar dauerhafte Behinderung führen kann. Eine frühere Studie berichtet , dass die Komplikationsrate bei peripheren Nervenchirurgie 3% 7 war. das Konzept der weichen Griff Daher die sicher konformen Grip kann, kann ein vielversprechender Kandidat für empfindliche chirurgische Manipulation sein. Hier präsentieren wir eine Kombination aus 3D-Druck und modifizierte Softlithographie-Techniken, die einen Stab basierten Ansatz, anpassbare weiche Roboter pneumatische Greifer herzustellen. Traditionelle Herstellungstechnik von weichen Roboter basierend auf Druckfluid Betätigung erfordert eine Form mit pneumatischen Kanäle aufgedruckt und ein Versiegelungsverfahren die Kanäle 8 abzudichten. Allerdings ist es nicht möglich, für miniaturisierte weichen Roboter, die kleinen pneumatischen Kanäle benötigen, wo Okklusion von Kanälen leicht in den Siegelprozess passieren kann. Die traditionelle Technik erfordert die Abdichtung der Luftkanäle durch Verbinden einer beschichteten Siegelschicht, um es zu tun. Daher ist die layer aus Elastomermaterial, die zunächst dient als Bindeschicht in die winzigen Kanäle gelangen könnte und diese Kanäle verstopfen. Es ist auch nicht möglich, die Luftkanäle an der Mitte der Struktur zu positionieren und zu einer Kammer Komponente unter Verwendung herkömmlicher Techniken verbinden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise ermöglicht die Schaffung von miniaturisierten pneumatischen Kanäle mit einer luftgefüllten Kammer Stäbe verwendet und nicht Abdichtung der winzigen Kanäle erfordern. Darüber hinaus dienen die Kammer mit den pneumatischen Kanäle als Luftquelle, die keine externe Luftquellen für komprimierte Fluid Betätigung erfordert. Es erlaubt sowohl die manuelle und Robotersteuerung Modi durch die Kammer Kompression Erleichterung der Greifkomponente zu betätigen, damit der Anwender die Möglichkeit, die Bereitstellung der Menge an Kraft zu steuern, dass sie durch den Greifer anwenden. Dieser Ansatz ist hochgradig anpassbar und verwendet werden, können verschiedene Arten von Weichgreifkonstruktionen wie Greifer mit Einzel- oder mu herzustellenltiple ansteuerbaren Arme.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Weighing Scale</td>
			<td>Severin</td>
			<td>KW3667</td>
			<td>(Step: Preparation of elastomers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>EF0030</td>
			<td>(Step: Preparation of elastomers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Planetary Centrifugal Mixer and Containers</td>
			<td>THINKY USA Inc.</td>
			<td>ARE-310</td>
			<td>(Step: Preparation of elastomers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks CAD</td>
			<td>Dassault Syst&#232;mes&#160;</td>
			<td>Solidworks Research Subscription</td>
			<td>(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Objet 3D Printer</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>260 Connex2</td>
			<td>(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium Wire Rods</td>
			<td>Titan Engineering</td>
			<td>N/A</td>
			<td>(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Natural Convection Oven with Timer</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>BIN#ED53</td>
			<td>(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear Actuator</td>
			<td>Firgelli Technologies</td>
			<td>L12</td>
			<td>(Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jumper Wire</td>
			<td>sgbotic</td>
			<td>CAB-01146</td>
			<td>(Step: Evaluations and grip compressive test)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Force Sensing Resistor</td>
			<td>Interlink Electronics</td>
			<td>FSR402</td>
			<td>(Step: Evaluations and grip compressive test)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rod-based fabrication of customizable soft robotic pneumatic gripper devices for delicate tissue manipulation

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.

Die weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen waren in der Lage Aufnahme von Objekten mit Abmessungen von bis zu 1,2 mm Durchmesser (Abbildung 6). Die maximale Griffigkeit Druckkraft, die durch den Ein- ansteuerbaren-Arm und Double- ansteuerbaren-Arm weichen Greifeinrichtungen waren 0,27 ± 0,07 N und 0,79 ± 0,14 N bzw. im Vergleich zu 1,71 ± 0,16 N und 2,61 ± 0,22 N Druckkräfte in simulierte Operation durch die elastomerbeschichteten Pinzette und durch unbeschichtete Zange (Abbildung 7). Die Haftungskräfte können in Abhängigkeit von der Geometrie der Greifer variieren und die Größe der Luftkanäle. Die Materialeigenschaften des Elastomers den maximalen Druck bestimmen, dass die pneumatischen Kanäle standhalten können, was wiederum die Haftungskräfte beeinflussen. Die vorgeschlagene Technik (Figur 3) zeigt , dass eine kostengünstige Erzeugung von weichen pneumatischen Greifers in schnellen Herstellungszeit ist möglich, eined die Funktionalität solcher Greifer ist in dieser Studie untersucht. Verwendung der Technik beschrieben, die Herstellung von verschiedenen Greifer Designs für verschiedene Anwendungen können zum Gießen des Elastomers durch die Gestaltung entsprechender Formen durchgeführt werden. Diese Ergebnisse zeigten, dass nachgiebigen Greif, ohne die Einführung einer übermäßigen Belastung auf das gegriffene Objekt, ist erreichbar mit der vorgeschlagenen Herstellungstechnik. Die Anpassungsfähigkeit der weichen Greifarme erlaubt die Arme an die Oberflächenkontur des Objektes anzupassen. Es ist jedoch notwendig, um sicherzustellen, dass das sichere Greifen nicht beeinträchtigt wird, wenn ein nachgiebiger Griff erreicht wird. Ein Griff, der sowohl das Unternehmen und gefällig ist, ist von wesentlicher Bedeutung für Anwendungen vor allem in der Chirurgie greifen. Das Ergebnis kann weitere Versuche durch Durchführung von Pilot Maus analysiert werden, um die Leistung von weichen Greifer zu bewerten in die Maus des Nerven halten und das Ausmaß der Schädigung des Nervs gemacht zu untersuchen, wennder weiche Greifer wird im Vergleich zu, wenn die Zange verwendet werden, verwendet. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54175/54175fig1.jpg" /> Abbildung 1. 2D - CAD - Zeichnungen der Formen zur Herstellung der oberen Struktur der elastomeren weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen verwendet: (A) doppelt ansteuerbaren-Arm, und (B) ein- ansteuerbaren-Arm (alle Maße in mm). Die Wandstärke von 2,5 mm für alle Formen ist. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54175/54175fig2.jpg" /> Abbildung 2. Erstellen der Form in CAD. (A) extrudieren geschnitten , um einen Hohlraum für Elastomere Gießen. (B) Erstellen Sie eine Kammer Komponente im Mold. (C) Erstellen Sie einen Hohlraum für Elastomere für Greiferkomponente Gießen. (D) extrudieren geschnitten , um eine Verbindung zwischen der Kammer und Greiferkomponente. (E) extrudieren schneiden Sie zwei Löcher für die Drahtstäbe halten pneumatischen Kanäle zu erstellen. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54175/54175fig3.jpg" /> Abbildung 3. Herstellungsprozess des weichen Doppel ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer. (A) Legen Sie zwei Kammer-Blöcke und legen Sie zwei Drahtstäben pneumatische Kanäle zu schaffen , die mit einer Kammer verbunden sind. Gießen Elastomer in die Form und vollständig die Greifkomponente heilen. (B) Entfernen Sie die Drahtstäbe und Kammer-Blöcke und legte einen Greifer-Block auf der Oberseite der Greifkomponente create Kammer. Gießen Elastomer in die Form, um die Kammerkomponenten zu machen. (C) Bond die Greiferstruktur und 2,5 mm Schicht zusammen eine abgedichtete luftgefüllte Kammer zu schaffen. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig3large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54175/54175fig4.jpg" /> Abbildung 4. 2D - CAD - Zeichnungen der Umgang mit Werkzeugen für Handbetrieb Kammer Kompression zu erleichtern (A) Handhabung Werkzeug, (B) rechteckige Kappe, und (C) beweglichen Kolben (alle Maße in mm und der Maßstab ist . 2: 3 es sei denn) angegeben. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig4large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 5. 2D - CAD - Zeichnungen der Umgang mit Werkzeugen für die Roboter - Steuerungsmodus Kammer Kompression zu erleichtern (A) Handhabung Werkzeug, und (B) rechteckige Kappe (alle Maße in mm und die Skala 2: 3 sofern nicht anders angegeben).. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken hier</a> , <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175fig5large.jpg" target="_blank">um eine größere Version dieser Figur sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54175/54175fig6.jpg" /> Abbildung 6. Auswertung von Greiftests der vorgeschlagenen Greifeinrichtungen. Fotografien des weichen Roboter (A) Single-ansteuerbaren-Arm, und (B) doppelt ansteuerbaren-Arm pneumatischen Greifeinrichtungen vor (links) und nach (rechts) der Greif 1,2 mm Durchmesser Draht. Abbildung 7. Grip Druckkräfte durch die beiden unterschiedlichen weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen erzeugt wird , und die beiden (Elastomer-beschichtete und unbeschichtete) Zange in Griff Drucktest. Eine Kraft , Widerstand Abtasten zwischen den beiden Backen der Greifer / Pinzette platziert wurde und die Greifer / Zangenbacken Griff auf den Erfassungsbereich in jedem Test. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/54175/54175fig8.jpg" /> Abbildung 8. 2D - CAD - Zeichnungen der Formen zum Herstellen der oberen Struktur des weichen robotic hook pneumatischen Greifer eingesetzt. Der Pneumatikkanal näher an der Bodenfläche des Hakens Greifkomponente , und es wird nach oben biegt bei Druckbeaufschlagung. Ergänzende Datei 1. Design der Umgang mit Werkzeugen. Stepwise Details über das Design der Umgang mit Werkzeugen in CAD ​​- Software beteiligt. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175sup1.docx" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175sup1.docx" target="_blank">diese Datei herunterzuladen.</a> Ergänzende Datei 2. 3D - Drucker Benutzerhandbuch. Dieses Handbuch enthält Anweisungen für den Betrieb des Druckers. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175sup2.pdf" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54175/54175sup2.pdf" target="_blank">diese Datei herunterzuladen.</a>

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Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation

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.

Rod-basierte Herstellung von Anpassbare Weiche Robotic Pneumatic Gripper Geräte für empfindliche Gewebe Manipulation

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations ...

rod-based-fabrication-customizable-soft-robotic-pneumatic-gripper

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.7K Aufrufe.  National University of Singapore. 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.

Serie: Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation

Fabrication of Biologically Derived Injectable Materials for Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications. Briefly, decellularized tissue is lyophilized, milled, enzymatically digested, and then brought to physiological pH. The lyophilization removes all water content from the tissue, resulting in dry ECM that can be ground into a fine powder with a small mill. After milling, the ECM powder is digested with pepsin to form an injectable matrix. After adjustment to pH 7.4, the liquid matrix material can be injected into the myocardium. Results of previous characterization assays have shown that matrix gels produced from decellularized pericardial and myocardial tissue retain native ECM components, including diverse proteins, peptides and glycosaminoglycans. Given the use of this material for tissue engineering, in vivo characterization is especially useful; here, a method for performing an intramural injection into the left ventricular (LV) free wall is presented as a means of analyzing the host response to the matrix gel in a small animal model. Access to the chest cavity is gained through the diaphragm and the injection is made slightly above the apex in the LV free wall. The biologically derived scaffold can be visualized by biotin-labeling before injection and then staining tissue sections with a horse radish peroxidase-conjugated neutravidin and visualizing via diaminobenzidine (DAB) staining. Analysis of the injection region can also be done with histological and immunohistochemical staining. In this way, the previously examined pericardial and myocardial matrix gels were shown to form fibrous, porous networks and promote vessel formation within the injection region.

Methods for preparing an injectable matrix gel from decellularized tissue and injecting it into rat myocardium in vivo are described.

Herstellung von biologisch abgeleiteten Injizierbare Materialien für Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications.  ...

Forschung

Biotechnik

Engineering Skeletal Muscle Tissues from Murine Myoblast Progenitor Cells and Application of Electrical Stimulation

Engineered muscle tissues can be used for several different purposes, which include the production of tissues for use as a disease model in vitro, e.g. to study pressure ulcers, for regenerative medicine and as a meat alternative 1. The first reported 3D muscle constructs have been made many years ago and pioneers in the field are Vandenburgh and colleagues 2,3. Advances made in muscle tissue engineering are not only the result from the vast gain in knowledge of biochemical factors, stem cells and progenitor cells, but are in particular based on insights gained by researchers that physical factors play essential roles in the control of cell behavior and tissue development. State-of-the-art engineered muscle constructs currently consist of cell-populated hydrogel constructs. In our lab these generally consist of murine myoblast progenitor cells, isolated from murine hind limb muscles or a murine myoblast cell line C2C12, mixed with a mixture of collagen/Matrigel and plated between two anchoring points, mimicking the muscle ligaments. Other cells may be considered as well, e.g. alternative cell lines such as L6 rat myoblasts 4, neonatal muscle derived progenitor cells 5, cells derived from adult muscle tissues from other species such as human 6 or even induced pluripotent stem cells (iPS cells) 7. Cell contractility causes alignment of the cells along the long axis of the construct 8,9 and differentiation of the muscle progenitor cells after approximately one week of culture. Moreover, the application of electrical stimulation can enhance the process of differentiation to some extent 8. Because of its limited size (8 x 2 x 0.5 mm) the complete tissue can be analyzed using confocal microscopy to monitor e.g. viability, differentiation and cell alignment. Depending on the specific application the requirements for the engineered muscle tissue will vary; e.g. use for regenerative medicine requires the up scaling of tissue size and vascularization, while to serve as a meat alternative translation to other species is necessary.

Engineered muscle tissue has great potential in regenerative medicine, as disease model and also as an alternative source for meat. Here we describe the engineering of a muscle construct, in this case from mouse myoblast progenitor cells, and the stimulation by electrical pulses.

Engineering Skeletal Muscle Gewebe von Murine Myoblast Progenitor Cells und Anwendung von Elektrostimulation

Engineered muscle tissues can be used for several different purposes, which include the production of tissues for use as a disease model in vitro, e.g. to ...

Density Gradient Multilayered Polymerization (DGMP): A Novel Technique for Creating Multi-compartment, Customizable Scaffolds for Tissue Engineering

Complex tissue culture matrices, in which types and concentrations of biological stimuli (e.g. growth factors, inhibitors, or small molecules) or matrix structure (e.g. composition, concentration, or stiffness of the matrix) vary over space, would enable a wide range of investigations concerning how these variables affect cell differentiation, migration, and other phenomena. The major challenge in creating layered matrices is maintaining the structural integrity of layer interfaces without diffusion of individual components from each layer1. Current methodologies to achieve this include photopatterning2-3, lithography4, sequential functionalization5, freeze drying6, microfluidics7, or centrifugation8, many of which require sophisticated instrumentation and technical skills. Others rely on sequential attachment of individual layers, which may lead to delamination of layers9. 
DGMP overcomes these issues by using an inert density modifier such as iodixanol to create layers of varying densities10. Since the density modifier can be mixed with any prepolymer or bioactive molecule, DGMP allows each scaffold layer to be customized. Simply varying the concentration of the density modifier prevents mixing of adjacent layers while they remain aqueous. Subsequent single step polymerization gives rise to a structurally continuous multilayered scaffold, in which each layer has distinct chemical and mechanical properties. The density modifier can be easily removed with sufficient rinsing without perturbation of the individual layers or their components. This technique is therefore well suited for creating hydrogels of various sizes, shapes, and materials.
A protocol for fabricating a 2D-polyethylene glycol (PEG) gel, in which alternating layers incorporate RGDS-350, is outlined below. We use PEG because it is biocompatible and inert. RGDS, a cell adhesion peptide11, is used to demonstrate spatial restriction of a biological cue, and the conjugation of a fluorophore (Alexa Fluor 350) enables us to visually distinguish various layers. This procedure can be adapted for other materials (e.g. collagen, hyaluronan, etc.) and can be extended to fabricate 3D gels with some modifications10.

Density Gradient Multilayered Polymerization DGMP: A Novel Technique for Creating Multi-compartment, Customizable Scaffolds for Tissue Engineering

Here we describe a unique strategy for creating biocompatible, layered matrices with continuous interfaces between distinct layers for tissue engineering. Such a scaffold could provide an ideal customizable environment to modulate cell behavior by various biological, chemical or mechanical cues

Density Gradient Multilayered Polymerisation (DGMP): A Novel Technique für das Erstellen von Multi-Fach, Anpassbare Scaffolds für das Tissue Engineering

Complex tissue culture matrices, in which types and concentrations of biological stimuli (e.g. growth factors, inhibitors, or small molecules) or matrix ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and regenerative medicine. With digital control&#160;cells, scaffolds, and growth factors can be precisely deposited to the desired two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) locations rapidly. Therefore, this technology is an ideal approach to fabricate tissues mimicking their native anatomic structures. In order to engineer cartilage with native zonal organization, extracellular matrix composition (ECM), and mechanical properties, we developed a bioprinting platform using a commercial inkjet printer with simultaneous photopolymerization capable for 3D cartilage tissue engineering. Human chondrocytes suspended in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed for 3D neocartilage construction via layer-by-layer assembly. The printed cells were fixed at their original deposited positions, supported by the surrounding scaffold in simultaneous photopolymerization. The mechanical properties of the printed tissue were similar to the native cartilage. Compared to conventional tissue fabrication, which requires longer UV exposure, the viability of the printed cells with simultaneous photopolymerization was significantly higher. Printed neocartilage demonstrated excellent glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II production, which was consistent with gene expression. Therefore, this platform is ideal for accurate cell distribution and arrangement for anatomic tissue engineering.

The methods described in this paper show how to convert a commercial inkjet printer into a bioprinter with simultaneous UV polymerization. The printer is capable of constructing 3D tissue structure with cells and biomaterials. The study demonstrated here constructed a 3D neocartilage.

Menschliches Knorpelgewebe Herstellung unter Verwendung von dreidimensionalen Inkjet-Drucktechnologie

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Cultivation of Mammalian Cells Using a Single-use Pneumatic Bioreactor System

Recent advances in mammalian, insect, and stem cell cultivation and scale-up have created tremendous opportunities for new therapeutics and personalized medicine innovations. However, translating these advances into therapeutic applications will require in vitro systems that allow for robust, flexible, and cost effective bioreactor systems. There are several bioreactor systems currently utilized in research and commercial settings; however, many of these systems are not optimal for establishing, expanding, and monitoring the growth of different cell types. The culture parameters most challenging to control in these systems include, minimizing hydrodynamic shear, preventing nutrient gradient formation, establishing uniform culture medium aeration, preventing microbial contamination, and monitoring and adjusting culture conditions in real-time. Using a pneumatic single-use bioreactor system, we demonstrate the assembly and operation of this novel bioreactor for mammalian cells grown on micro-carriers. This bioreactor system eliminates many of the challenges associated with currently available systems by minimizing hydrodynamic shear and nutrient gradient formation, and allowing for uniform culture medium aeration. Moreover, the bioreactor&#8217;s software allows for remote real-time monitoring and adjusting of the bioreactor run parameters. This bioreactor system also has tremendous potential for scale-up of adherent and suspension mammalian cells for production of a variety therapeutic proteins, monoclonal antibodies, stem cells, biosimilars, and vaccines.

Using a pneumatic bioreactor, we demonstrate the assembly, operation, and performance of this single-use bioreactor system for the growth of mammalian cells.

Anbau von Säugetierzellen mit einem Einweg-Bioreaktorsystem Pneumatische

Recent advances in mammalian, insect, and stem cell cultivation and scale-up have created tremendous opportunities for new therapeutics and personalized ...

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in unstructured environments. At the same time, new procedures and techniques have been developed to reduce the invasiveness of surgical operations. Minimally Invasive Surgery (MIS) has been successfully employed for abdominal interventions, however standard MIS procedures are mainly based on rigid or semi-rigid tools that limit the dexterity of the clinician. This paper presents a soft and high dexterous manipulator for MIS. The manipulator was inspired by the biological capabilities of the octopus arm, and is designed with a modular approach. Each module presents the same functional characteristics, thus achieving high dexterity and versatility when more modules are integrated. The paper details the design, fabrication process and the materials necessary for the development of a single unit, which is fabricated by casting silicone inside specific molds. The result consists in an elastomeric cylinder including three flexible pneumatic actuators that enable elongation and omni-directional bending of the unit. An external braided sheath improves the motion of the module. In the center of each module a granular jamming-based mechanism varies the stiffness of the structure during the tasks. Tests demonstrate that the module is able to bend up to 120&#176; and to elongate up to 66% of the initial length. The module generates a maximum force of 47 N, and its stiffness can increase up to 36%.

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

Konstruktion und Herstellung eines Elastomer-Einheit für Soft Modular Robots in die Minimal Invasive Chirurgie

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

Automated Robotic Liquid Handling Assembly of Modular DNA Devices

Recent advances in modular DNA assembly techniques have enabled synthetic biologists to test significantly more of the available &#34;design space&#34; represented by &#34;devices&#34; created as combinations of individual genetic components. However, manual assembly of such large numbers of devices is time-intensive, error-prone, and costly. The increasing sophistication and scale of synthetic biology research necessitates an efficient, reproducible way to accommodate large-scale, complex, and high throughput device construction.
Here, a DNA assembly protocol using the Type-IIS restriction endonuclease based Modular Cloning (MoClo) technique is automated on two liquid-handling robotic platforms. Automated liquid-handling robots require careful, often times tedious optimization of pipetting parameters for liquids of different viscosities (e.g. enzymes, DNA, water, buffers), as well as explicit programming to ensure correct aspiration and dispensing of DNA parts and reagents. This makes manual script writing for complex assemblies just as problematic as manual DNA assembly, and necessitates a software tool that can automate script generation. To this end, we have developed a web-based software tool, http://mocloassembly.com, for generating combinatorial DNA device libraries from basic DNA parts uploaded as Genbank files. We provide access to the tool, and an export file from our liquid handler software which includes optimized liquid classes, labware parameters, and deck layout. All DNA parts used are available through Addgene, and their digital maps can be accessed via the Boston University BDC ICE Registry. Together, these elements provide a foundation for other organizations to automate modular cloning experiments and similar protocols.
The automated DNA assembly workflow presented here enables the repeatable, automated, high-throughput production of DNA devices, and reduces the risk of human error arising from repetitive manual pipetting. Sequencing data show the automated DNA assembly reactions generated from this workflow are ~95% correct and require as little as 4% as much hands-on time, compared to manual reaction preparation.

Here, an automated workflow to perform modular DNA &#34;device&#34; assembly using a modular cloning DNA assembly method on liquid-handling robots is presented. The protocol uses an intuitive software tool for generating liquid handler picklists for combinatorial DNA device library generation, which we demonstrate using two liquid handling platforms.

Automatisierte Roboter Liquid Handling Versammlung Modular DNA-Geräte

Recent advances in modular DNA assembly techniques have enabled synthetic biologists to test significantly more of the available &#34;design space&#34; ...

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and directed within a layer of paper. Moreover, stacking multiple layers of patterned paper creates sophisticated three-dimensional microfluidic networks that can support the development of analytical and bioanalytical assays. Paper-based microfluidic devices are inexpensive, portable, easy to use, and require no external equipment to operate. As a result, they hold great promise as a platform for point-of-care diagnostics. In order to properly evaluate the utility and analytical performance of paper-based devices, suitable methods must be developed to ensure their manufacture is reproducible and at a scale that is appropriate for laboratory settings. In this manuscript, a method to fabricate a general device architecture that can be used for paper-based immunoassays is described. We use a form of additive manufacturing (multi-layer lamination) to prepare devices that comprise multiple layers of patterned paper and patterned adhesive. In addition to demonstrating the proper use of these three-dimensional paper-based microfluidic devices with an immunoassay for human chorionic gonadotropin (hCG), errors in the manufacturing process that may result in device failures are discussed. We expect this approach to manufacturing paper-based devices will find broad utility in the development of analytical applications designed specifically for limited-resource settings.

We detail a method to fabricate three-dimensional paper-based microfluidic devices for use in the development of immunoassays. Our approach to device assembly is a type of multilayer, additive manufacturing. We demonstrate a sandwich immunoassay to provide representative results for these types of paper-based devices.

Herstellung von dreidimensionalen Papierbasis Microfluidic Devices für Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...

A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices cannot be worn under everyday conditions. Therefore, textiles are commonly considered the best substrate to accommodate electronic devices in wearable use. In this paper, we describe how to selectively pattern organic electroactive materials on textiles from a solution in an easy and scalable manner. This versatile deposition technique enables the fabrication of wearable organic electronic devices on clothes.

In this paper, we present a protocol to selectively deposit organic materials on textiles, which allows for the direct integration of organic electronic devices with wearables. The fabricated devices can be fully integrated in textiles, respecting their mechanical appearance and enabling sensing capabilities.

Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices ...

Soft Lithographic Procedure for Producing Plastic Microfluidic Devices with View-ports Transparent to Visible and Infrared Light

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable microfluidic devices. Here, a protocol for the fabrication of plastic microfluidic devices is demonstrated, where soft lithographic techniques are used to embed transparent Calcium Fluoride (CaF2) view-ports in connection with observation chamber(s). The method is based on a replica casting approach, where a polydimethylsiloxane (PDMS) mold is produced through standard lithographic procedures and then used as the template to produce a plastic device. The plastic device features ultraviolet/visible/infrared (UV/Vis/IR) -transparent windows made of CaF2 to allow for direct observation with visible and IR light. The advantages of the proposed method include: a reduced need for accessing a clean room micro-fabrication facility, multiple view-ports, an easy and versatile connection to an external pumping system through the plastic body, flexibility of the design, e.g., open/closed channels configuration, and the possibility to add sophisticated features such as nanoporous membranes.

A protocol for the fabrication of plastic microfluidic devices with transparent view-ports for visible and infrared light imaging is described.

Weichen lithografischen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräte mit Ansicht-Ports für sichtbaren und infraroten Licht durchlässig

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable ...