Fabrication Rod a base di personalizzabili morbide robotizzati pneumatici Gripper dispositivi per la manipolazione dei tessuti delicati

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.

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.

Robot soft hanno suscitato grande interesse la ricerca all'interno della comunità robotica e sono stati utilizzati in diversi compiti funzionali come locomozione ondulatoria in ambienti non strutturati ¹ e ² di presa. Essi sono principalmente costituiti da materiali elastomerici morbidi e controllati da diverse tecniche di azionamento attraverso l'utilizzo di diversi materiali come polimeri elettroattivi (EAP), lega a memoria di forma (SMA), o fluido compresso ^3. funzione EAP basata su una tensione differenziale che induce forze elettrostatiche per produrre ceppi attivi e genera in tal modo di azionamento. L'effetto memoria di forma peculiare della SMA viene distribuito per generare il comando desiderato in base alla costituzione della forza durante trasformazioni di fase al momento della variazione di temperatura. Infine, compresso tecnica azionamento fluido facilita una strategia di progettazione semplice per indurre differenza rigidità attuatori morbide, in modo che le regioni più compatibili si gonfiasu di pressurizzazione. robot molli sono progettati per ampliare le applicazioni del robot rigidi tradizionali, in particolare in applicazioni in cui sono coinvolti oggetti delicati. In particolare, in questo articolo, vi presentiamo il nostro approccio unico allo sviluppo morbide pinze robotici per la manipolazione chirurgica delicata.

Presa chirurgico è un aspetto importante coinvolto in molte procedure chirurgiche come epatica, ginecologica, urologica, e del nervo riparazione ambulatori ^{4, 5.} Essa è tipicamente eseguita da rigidi, strumenti di presa del tessuto in acciaio come le pinze e graspers laparoscopica allo scopo di facilitare osservazione, escissione, procedure di anastomosi, ecc Tuttavia, estrema cautela, poiché gli utensili di presa convenzionali sono fatti di metallo che può causare aree di concentrazione di stress elevato nel tessuto molle nei punti di contatto ^6. A seconda della gravità dei danni tissutali, varie complicazioni, come il dolore, cicatrici patologiche del tessuto formazione, e anche invalidità permanente, possono derivare. Uno studio preliminare ha riferito che il tasso di complicanze nella chirurgia dei nervi periferici è stata del 3% ^7. Pertanto, il concetto di presa morbida che può fornire presa conforme sicura può essere un candidato promettente per delicata manipolazione chirurgica.

Qui, vi presentiamo una combinazione di 3D-stampa e modificate le tecniche di litografia soffice, che ha adottato un approccio tondino-based, per fabbricare personalizzabili morbide pinze pneumatiche robotici. Tecnica di fabbricazione tradizionale di robot morbide, basate su azionamento fluido compresso richiede uno stampo con canali pneumatico stampati su di esso e un processo di sigillatura per sigillare i canali ^8. Tuttavia, non è fattibile per robot morbidi miniaturizzati che necessitano piccoli canali pneumatici dove occlusione dei canali può facilmente accadere nel processo di sigillatura. La tecnica tradizionale richiede la sigillatura dei canali pneumatiche essere fatto legando uno strato sigillante rivestito ad esso. Quindi, la layer di materiale elastomerico che serve inizialmente come uno strato di incollaggio potrebbe fuoriuscire nei piccoli canali e occludono quei canali. Inoltre non è possibile posizionare i canali pneumatici al centro della struttura e collegarsi ad un componente camera con tecniche convenzionali. L'approccio proposto permette la creazione di canali pneumatici miniaturizzati collegato a una camera di aste usando pieni d'aria e non richiede sigillatura dei piccoli canali. Inoltre, la camera collegata ai canali pneumatici servire come fonte d'aria che non richiede fonti d'aria esterna per l'azionamento fluido compresso. Esso permette sia la modalità di controllo robotici facilitando la compressione della camera per azionare il componente di presa, fornendo così agli utenti la possibilità di controllare la quantità di forza che sono candidati attraverso la pinza manuale e. Questo approccio è altamente personalizzabile e può essere utilizzato per fabbricare vari tipi di disegni pinze morbidi come pinze con singola o multiple braccia azionabili.

Nota: Tutte le pinze pneumatiche morbide sono state realizzate per fusione miscele elastomeriche a base di silicone in stampi 3D-stampati personalizzati, che ha seguito un processo di fabbricazione che comprende tre fasi: stampaggio di componenti pinza braccio con canali pneumatici incorporati, stampaggio componente camera collegata ai canali di pneumatici , e sigillare il componente camera riempita con aria.

1. Preparazione di Elastomeri

1. Posizionare un contenitore per mixer su una bilancia e tara. Versare parti A e B di elastomero a base siliconica nel contenitore con un rapporto 1: 1 in peso.
2. Coprire il contenitore e misurare il peso totale.
3. Posizionare il contenitore e il materiale in un mixer centrifuga. Regolare il bilanciamento del peso sul mixer al peso misurato in fase 1.2.
4. Impostare le modalità di miscelazione e di de-aerazione a 2.000 rpm e 2.200 rpm, rispettivamente per 30 sec. Miscelare i componenti in elastomero con cura per ottenere indurimento uniforme.

Nota: La geometria dello stampo varierà a seconda delle esigenze specifiche per le diverse applicazioni. Le seguenti operazioni illustrano passi chiave generali in software CAD che sono necessari per creare il componente camera ed pinza dello stampo.

1. Progettare gli stampi e muffe di tenuta utilizzando il software computer-aided design (CAD). Vedere Figura 1 per la geometria e specifiche dimensioni degli stampi utilizzati in questo manoscritto.
   1. Progettazione della scatola confine esterno
      1. Fai clic destro sul piano superiore e cliccare su "Normale per" pulsante per normalizzare al piano superiore.
      2. Clicca su "Schizzo" nell'angolo in alto a sinistra per aprire una finestra "Sketch". Quindi, fare clic sul pulsante "Sketch" nell'angolo in alto a sinistra della barra degli strumenti per tracciare una base rettangolare di componenti da camera.
      3. Fare clic sulla funzione "Smart Dimension", che si trova accanto al pulsante "Sketch", per definire skDimensioni etch. Assicurarsi che il disegno è completamente definito (ad esempio, tutte le linee di disegno diventano nero) e chiudere lo schizzo quando fatto.
      4. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" caratteristica di estrudere contorni selezionati in direzione Y.
      5. Fare clic sulla superficie superiore del modello di preselezionare il piano dello schizzo. Disegnare un rettangolo e definire le dimensioni come descritto in 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      6. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic sulla funzione "taglio estruso" per estrudere tagliare una cavità per la fusione di elastomeri (Figura 2A). Assicurarsi che lo spessore della parete è di 2,5 mm.
   2. Progettazione della camera interna
      1. Pulsante destro del mouse sulla superficie in direzione Y della zona di apertura. Quindi, fare clic su "Normale per" per normalizzare a quella superficie.
      2. Quindi, fare clic sulla finestra "Sketch" per disegnare un rettangolo per il componente da camera come descritto ai punti 2.1.1.2 e2.1.1.3.
      3. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" funzione per estrudere il componente da camera in direzione Y (Figura 2B).
         Nota: La profondità del taglio in fase 2.1.1.6 2,5 mm più grande questa base estruso.
   3. Progettazione del componente pinza
      1. Istruzioni sulla superficie del modello in negativo direzione X preselezionare piano dello schizzo per il componente pinza. Creare un rettangolo nella finestra "Sketch", come descritto nei punti 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" funzione per estrudere il profilo selezionato nella direzione X negativa.
      3. Fare clic sulla superficie superiore del componente pinza per preselezionare il piano dello schizzo. Creare una forma di pinza nella "Sketch" finestra (Figura 2C) e chiudere lo schizzo quando le dimensioni è completamente definito come descritto ai punti 2.1.1.2 und 2.1.1.3.
      4. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Taglio estruso" per tagliare una cavità per la fusione elastomeri nel componente pinza. Assicurarsi che lo spessore della parete è di 2,5 mm.
   4. Esecuzione del collegamento tra la camera e pinza
      1. Creare un rettangolo nella finestra "Sketch" sulla superficie superiore del pezzo da camera, come descritto in 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Taglio estruso" per creare una connessione tra i componenti della camera e pinze (Figura 2D).
   5. Progettazione dei canali di pneumatici
      1. Creare 1,5 mm cerchi di diametro sulla superficie del pezzo da camera in direzione X positiva come descritto ai punti 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Taglio estruso" per creare canali per l'inserimento vergella (Figura 2E). Assicurarsi che il Holes non sono tagliate attraverso il componente pinza.
2. In un file CAD separata, disegnare uno stampo di tenuta con una cavità di lunghezza e larghezza di 1 mm di dimensioni superiori alle dimensioni esterne del componente camera della pinza. Nota: Lo spessore della parete è di 2,5 mm.
   1. Fare clic sulla finestra "Sketch" per creare un rettangolo sul piano superiore come passaggi descritti 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
   2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" caratteristica di estrudere contorni selezionati in direzione Y.
   3. Fare clic sulla faccia superiore del modello di preselezionare il piano dello schizzo. Disegnare un rettangolo e definire le dimensioni come descritto nei punti 2.1.1.2 e 2.1.1.3).
   4. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic sulla funzione "taglio estruso" per estrudere tagliare una cavità per la fusione elastomeri. Assicurarsi che lo spessore della parete è di 2,5 mm.
3. Salvare ogni pezzo stampo come file STL per la stampa 3D.
4. Caricare il file STL nella stampante 3D con una risoluzione di 30 micron e stampare i pezzi dello stampo ^9.
5. Rimuovere qualsiasi materiale di supporto sui pezzi dello stampo e lavare i pezzi dello stampo con acqua.

3. morbida singola / doppia-azionabili Pinze braccio pneumatico

1. Stampaggio componenti pinza-braccio con canali pneumatici incorporati
   1. Inserire due a camera blocchi 3D-stampata sul lato destro del componente camera (Figura 3A) sinistro e al fine di generare una camera sigillata con canali pneumatico collegato ad esso.
   2. Inserire due aste mm di diametro 1,5 fili di titanio attraverso la camera, mantenendo una distanza 2 mm dal punte pinza per creare canali pneumatico (Figura 3A). Nota: Utilizzare una vergella per la pinza-azionabile a braccio singolo.
   3. Versare il composto elastomerico nello stampo per riempire completamente il componente pinza.
   4. Assicurarsi che non ci sono bolle d'aria visibili presente.
   5. Place lo stampo in forno per polimerizzazione a 60 ° C per 10 min. Una volta elastomero è guarito, rimuovere lo stampo dal forno.
2. componente camera di formatura connessa ai canali pneumatici
   1. Tirare le vergelle e due camera blocchi fuori dallo stampo.
   2. Inserire una pinza-block 3D-stampato sulla parte superiore del componente pinza per creare la camera (Figura 3B). Inserire le vergelle per bloccare i fori nella parete dello stampo.
   3. Versare il composto elastomerico nello stampo per riempire la parte rimanente del componente camera e garantire il bolle d'aria intrappolate visibili nello stampo.
   4. Curare la parte ad una temperatura di 60 ° C per 10 min. Togliere lo stampo dal forno una volta elastomero è guarito.
   5. Rimuovere la pinza-block e sformatura la pinza completamente guarito con la struttura della camera.
3. Sigillatura componente camera riempita di aria
   1. Versare il composto elastomerico nello stampo di tenuta ecurarla a 60 ° C per 10 min.
   2. Spazzola uno strato di materiale elastomerico sulle stagionati 2,5 mm strato di tenuta. Posizionare la pinza curata con struttura della camera di sopra dello strato di tenuta rivestito e legare insieme i due pezzi (Figura 3C).
   3. Successivamente, curare l'intera struttura completamente a 60 ° C per 15 min.
   4. Sformatura il dispositivo di presa robotica morbido completamente guarito.

4. Inserimento di Soft robotica Pneumatic Gripper dispositivo in strumento di gestione

1. Progettare gli strumenti di gestione, come descritto nel file supplementare 1 utilizzando il software CAD e salvarla in un file STL. Vedere le figure 4 e 5 per le dimensioni degli utensili.
2. Caricare il file STL nella stampante 3D e stampare i pezzi dello stampo ^9.
   Nota: Tutte le fasi di stampa per strumento di movimentazione manuale di controllo, berretto di forma rettangolare, e il pistone mobile (Figura 4) possono essere completati entro 3 ore 48 min. Il prtempo inting per fabbricare lo strumento e il tappo rettangolare movimentazione controllo robotico (figura 5) è di 1 ora 56 min. Vedere file supplementare 2 per le istruzioni di funzionamento della stampante 3D.
3. Staccare qualsiasi materiale di supporto sugli strumenti dopo che la stampa è stata completata. Poi, lavare gli attrezzi con acqua.
4. Inserire la pinza nella utensile manuale movimentazione di controllo (Figura 4A) e coprire l'area di apertura con un tappo rettangolare mobile (Figura 4B).
5. Inserire un pistone mobile (Figura 4C) per facilitare la compressione della camera.
6. Inserire la pinza ed attuatore lineare nella robotica elemento di presa di controllo (Figura 5A). Nota: L'attuatore lineare sostituisce il pistone mobile in modalità di controllo manuale per la compressione della camera.
7. Coprire l'area di apertura con un tappo rettangolare mobile (Figura 5B).

5. Le valutazioni e la presa di prova a compressione

1. Valutarela funzionalità della pinza morbida effettuando test di presa con un ponticello.
   1. Posizionare un ponticello sul tavolo.
   2. Regolare la pinza in modo che il filo è tra le due pinze.
   3. Portare il pistone mobile per comprimere la camera per azionare le pinze per tenere il filo.
      Nota: Solo lo strumento movimentazione comando manuale è utilizzato nella dimostrazione di presa.
   4. Tenere e spostare il filo ad una scatola situato a distanza dalla posizione originale del filo 20 cm.
2. Inserire un resistore di sensing forza calibrata tra le due ganasce della pinza. Assicurarsi che la presa dita di presa sulla zona di rilevamento. Nota: Il diametro della zona monitorata è 14.7 mm.
3. Comprimere la camera per azionare le pinze di presa sul resistore di sensing forza.
4. Misurare le forze massima aderenza compressione che i-azionabile a braccio singolo e doppio-azionabile-morbido braccio pinze pneumatiche potrebbero generare, come descritto nella ¹⁰.
   Nota: i valori di lettura vengono visualizzati su un computer portatile. Le forze massime presa compressione sono misurate nel punto di massima pressione che i canali pneumatici in grado di sopportare.
5. Ritagliare le ganasce elastomerici da una pinza a doppio morbido azionabile-braccio pneumatico.
6. Inserire le punte pinze nei canali pneumatici delle ganasce di presa elastomerici.
7. Posizionare una resistenza di sensing forza calibrata tra le due ganasce della pinza.
8. Misurare le forze di compressione ¹⁰ generati da una pinza e pinze elastomero durante un intervento chirurgico nervo simulata condotta da un neurochirurgo.
   Nota: Il neurochirurgo applica una forza che è simile a quello che normalmente applicato durante l'intervento effettivo sul resistore di sensing forza.
9. Calcolare la media dei dati ottenuti da cinque prove in ciascuna prova.

I dispositivi di presa pneumatiche robotici analcoliche erano in grado di raccogliere oggetti di dimensioni fino a 1,2 mm di diametro (Figura 6). L'impugnatura forza massima di compressione generata dal singolo azionabile braccio e doppio azionabile braccio dispositivi di presa analcoliche erano 0,27 ± 0,07 N e rispettivamente 0,79 ± 0,14 N, rispetto a 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forze di compressione a chirurgia simulata dalle pinze elastomero e da una pinza non rivestiti (Figura 7). Le forze di presa possono variare a seconda della geometria delle pinze e la dimensione dei canali pneumatici. proprietà del materiale del elastomero determineranno la pressione massima che i canali pneumatici possono sopportare, che a sua volta influenzerà le forze di presa. La tecnica proposta (Figura 3) dimostra che una creazione basso costo di pinza pneumatica morbida in tempo di montaggio rapido è possibile, unD la funzionalità di tali pinze è stata valutata in questo studio. Utilizzando la tecnica descritta, realizzazione di disegni differenti pinze per varie applicazioni può essere ottenuto progettando stampi corrispondenti per colare l'elastomero.

Questi risultati hanno dimostrato che presa compatibile, senza l'introduzione di stress eccessivo all'oggetto afferrato, è realizzabile con la tecnica di fabbricazione proposto. L'adattabilità delle pinze morbide ha permesso ai bracci per conformarsi al contorno superficie dell'oggetto. Tuttavia, è necessario garantire che la presa sicura non è compromessa quando una presa conforme è raggiunto. Una presa che è sia l'impresa e conformi è essenziale per la presa applicazioni soprattutto in chirurgia. Il risultato può essere ulteriormente analizzato conducendo prove del mouse pilota per valutare le prestazioni di pinza morbido nel tenere nervi del mouse e di esaminare l'entità del danno fatto al nervo quandola pinza morbida è utilizzata rispetto a quando si utilizzano le pinze.

Disegni Figura 1. CAD 2D degli stampi utilizzati per la realizzazione della struttura superiore dei dispositivi robotici pinza pneumatica morbide elastomeriche: (a) Fare doppio azionabile braccio, e (B) singolo azionabile-braccio (tutte le dimensioni sono in mm). Lo spessore della parete è di 2,5 mm per tutti gli stampi. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Creare lo stampo in CAD. (A) Estrusione tagliare una cavità per la fusione elastomeri. (B) Creare un componente camera del mold. (C) Creazione di una cavità per la fusione di elastomeri per il componente pinza. (D) Estrusione tagliare un collegamento tra la camera e il componente pinza. (E) Estrusione tagliare due fori per lo svolgimento delle vergelle per creare canali di pneumatici. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. Processo di realizzazione della pinza morbido doppio azionabile-braccio pneumatico. (A) Inserire due a camera blocchi e inserire due vergelle per creare canali pneumatici che sono collegati ad una camera. Versare elastomero nello stampo e completamente curare il componente di presa. (B) Rimuovere le vergelle e camera-blocchi e mettere una pinza-blocco sulla parte superiore del componente presa a create da camera. Versare elastomero nello stampo per rendere il componente camera. (C) Legame la struttura di presa e lo strato 2,5 millimetri insieme per creare una camera d'aria a tenuta. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4. disegni CAD 2D degli strumenti di gestione per la modalità di controllo manuale per facilitare la compressione della camera (A) strumento di gestione, (B) tappo di forma rettangolare, e (C) pistone mobile (tutte le dimensioni sono in mm e la scala è 2:. 3 se non specificato). clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. disegni CAD 2D degli strumenti di gestione per la modalità di controllo robotico per facilitare la compressione della camera (A) strumento di gestione, e (B) cap rettangolare (tutte le dimensioni sono in mm e la scala è 2: 3 a meno che non specificato).. Fare clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Valutazione di presa test dei dispositivi di presa proposti. Fotografie della morbida robotico (A), azionabile a braccio singolo, e (B) doppio azionabile braccio dispositivi pinza pneumatica prima (a sinistra) e su (a destra) presa la filo di diametro 1,2 millimetri.

Figura 7. Grip forze di compressione generati dai due diversi dispositivi di presa pneumatici robotici morbide, e le due pinze (elastomero-rivestiti e non rivestiti) nella prova di compressione presa. Una forza di rilevamento resistenza è stata posta tra le due ganasce della pinza / pinza e la pinza / pinze ganasce blocchino sulla zona di rilevamento in ciascuna prova. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard.

Disegni Figura 8. CAD 2D degli stampi utilizzati per la fabbricazione della struttura superiore della pinza morbida gancio robotico pneumatico. Il canale pneumatico è posizionato vicino alla superficie inferiore del componente gancio di presa e si piega verso l'alto su di pressurizzazione.

file supplementare 1. Progettazione degli strumenti di gestione. dettagli graduale sui progettazione degli strumenti di gestione coinvolti nel software CAD. Cliccate qui per scaricare questo file.

Supplementare di file 2. guida dell'utente della stampante 3D. Questo manuale fornisce le istruzioni per il funzionamento della stampante. Clicca qui per scaricare questo file.

Abbiamo dimostrato con successo che le morbide robotici dispositivi pinza pneumatica consentiti presa compatibile degli oggetti, che esercitano forze di compressione molto più bassi per l'oggetto afferrato rispetto alle pinze punte elastomero e pinze esercitate. Pinze è uno strumento essenziale per la manipolazione dei nervi durante la riparazione dei nervi periferici ambulatori ^{11, 12.} Tuttavia, la sua struttura metallica necessaria estrema cautela nell'uso dai chirurghi al fine di evitare danni ai nervi causati da forze di presa eccessive e danni accidentali ai tessuti circostanti. A seconda della gravità del danno, varie complicazioni che vanno da quelli meno gravi, come dolore, a quelli gravi, come coaguli di sangue e persino invalidità permanente, possono risultare. Considerando la necessità di prevenire danni accidentali dei tessuti nervosi durante la manipolazione chirurgica, i nostri risultati preliminari indicano che questi dispositivi robotici pinza pneumatica analcoliche sono potenziali candidati idonei perintegrando pinze di corrente durante la manipolazione dei tessuti delicati, fornendo la capacità di raggiungere la presa compatibile. L'elastomero a base di silicone utilizzato nella fabbricazione della pinza morbida ha un modulo di Young di 0,8 x 10 ⁵ Pa, che è paragonabile a quelli di morbidi muscoli umani deformabili e tessuti ^{13, 14.} Pertanto, ridurrà i rischi di danno tissutale rispetto alla sua controparte pinze rigide.

Di tutte le fasi descritte, le fasi più critiche sono il posizionamento dei canali pneumatici nella progettazione dello stampo, l'eliminazione delle bolle d'aria intrappolate prima processo di polimerizzazione, e la tenuta della camera d'aria. I canali pneumatici non devono essere posizionati troppo vicino alla parete esterna della pinza per impedire l'attuatore dalla rottura a basse pressioni. Eventuali bolle d'aria intrappolate dovrebbero essere eliminati prima della polimerizzazione in quanto ciò eliminare potenziali punti di errore, quindi in ultima analisi, migliorando le prestazioni della pinza.La struttura pinza deve essere incollato bene allo strato di sigillatura per creare una camera chiusa che è in grado di immagazzinare aria senza perdite.

Varie tecniche di fabbricazione sono stati anche proposti per costruire morbidi microattuatori di presa applicazioni ^15-17. Per esempio, Lu & Kim ¹⁵ hanno proposto una microhand realizzato con tre fasi del processo di litografia soffice. In questo caso, il microhand è in grado di manipolare oggetti relativamente piccoli, ma è necessaria una bombola di azoto compresso esterno per il suo azionamento. Più di recente, Rateni et al. ¹⁶ hanno sviluppato una pinza robotica morbido cavo-driven in cui le dita morbide sono state fatte da fusione in stampi in silicone 3D-stampati. Invece di avere canali pneumatici alla metà del braccio pinza, la pinza robotico è stato azionato da un servomotore con cavi collegati al dito. Breger et al. ¹⁷ ha proposto un auto-pieghevole microgrippers morbidi con sequenziale pr fotolitografiaocess. Gli schemi di processo di fabbricazione e di controllo interessati sono costosi e complessi. D'altra parte, il processo di fabbricazione proposto è semplice, a basso costo e può essere completato entro 4 ore, comprensivo del tempo per la stampa 3D degli stampi e strumenti di manipolazione. La pinza morbido possiede proprietà affascinanti come il costo dei componenti basso, resistente all'acqua e non corrosivo. La complessità minimi sostenuti nel controllo della pinza morbido permesso di essere utilizzato in varie applicazioni di presa e facilmente adottato dagli utenti.

Il processo di fabbricazione descritto in questo studio ha coinvolto soprattutto la tecnologia di stampa 3-D e un approccio basato un'asta per creare canali pneumatici. Essa mostra la possibilità di creare disegni pinze personalizzabili variando la progettazione dello stampo. Pinza morbido gancio robotico pneumatico è stato realizzato utilizzando uno stampo modificato con un componente gancio di presa e un componente camera (Figura 8). E 'dimostrato che la progettazione ca pinzan essere facilmente modificato e fabbricato a basso costo. L'uso dell'asta di creare canali pneumatici ha permesso la realizzazione di miniaturizzati pinze robotiche morbide. È dimostrato che questo approccio è adatto per la creazione di miniaturizzare robot morbidi per impedire l'occlusione dei piccoli canali pneumatico durante il processo di saldatura effettuata nel tradizionale processo di fabbricazione di robot morbide. Tuttavia, in alcuni casi, quando un nuovo stampo viene dapprima utilizzato per la fusione del materiale elastomerico, la superficie esterna della pinza indurito può diventare appiccicoso. In questo caso, la pinza deve essere collocato all'interno del forno per polimerizzazione aggiuntiva fino alla viscosità della superficie è scomparso. Inoltre, si deve prestare attenzione a garantire che la tenuta è ben e la parete di fondo della camera non ha bolle. Si noti che la regione dove sono presenti due fori passanti attraverso la parete, che sono destinati per l'inserimento delle vergelle, ha una maggiore probabilità di contenere bolle d'aria intrappolate rispetto alle altre regioni. Un ulteriore strato di materiale elastomerico può essere applicato con un pennello sui bordi dello strato di tenuta e la parete di fondo per migliorare la robustezza della pinza.

La caratteristica unica della tecnica proposta è quella di incorporare l'idea di stampare un componente camera sullo stampo per creare una camera d'aria per l'azionamento. Il componente camera nei dispositivi di presa robotici morbide permette la forza di compressione grip per essere controllato attraverso la compressione della camera. Rispetto alle fonti d'aria esterna, come pompe portatili, che sono ampiamente adottata per l'utilizzo per i robot morbide, modalità manuale di controllo è ottenibile con la presenza del componente camera. È particolarmente importante per la manipolazione chirurgica dove i chirurghi preferiscono essere in grado di sentire e controllare la quantità di forza che applicano effettivamente. Il vantaggio del componente camera è che ha permesso anche la modalità automatica del controllo incorporando lineareattuatore negli strumenti di gestione. Pertanto, sia la modalità manuale e automatico di controllo può essere effettuato con il componente camera collegata ai canali pneumatici per l'azionamento. Questi staccabili pinze robotiche morbide a basso costo sono stati progettati per uso di una volta, il che significa che non vi è alcuna necessità di ri-sterilizzazione per uso ripetuto. Gli strumenti di manipolazione sono sterilizzabili e le pinze robotiche morbide possono essere inseriti facilmente prima di eseguire la manipolazione chirurgica. I disegni di questi dispositivi di presa chirurgici pneumatici morbidi permettono ulteriormente l'inter-cambio di diversi modelli di dispositivi in ​​un unico strumento di gestione per soddisfare le diverse esigenze di presa.

Tuttavia, questa tecnica deve essere letta in alcune limitazioni. In primo luogo, sono necessari due procedure distinte per fabbricare i componenti di presa ed i componenti della camera per collegare i canali pneumatici e componenti camera insieme, ed è richiesto un processo di sigillatura per la camera. Sebbene rimuove la need delle fonti d'aria esterna, aumenta il tempo di colata pinze robotiche morbide. In secondo luogo, la pressione massima che può essere applicata ai canali pneumatica era limitata dalle proprietà del elastomerici. forze di compressione più grandi possono essere generati utilizzando un elastomero rigido o rafforzare l'elastomero con fibre per evitare la rottura dei canali pneumatici. Per esempio, fibre di seta, che sono ampiamente usati come materiale di sutura chirurgica o impalcature per la loro biocompatibilità ed eccellenti proprietà meccaniche, possono essere utilizzate per rinforzare le pinze morbide ^18. Dipende dalle diverse applicazioni, è necessario un elastomero con una maggiore rigidità al fine di garantire l'equilibrio tra grip conforme e sicuro. Inoltre, una presa conforme e liscia superficie di contatto della pinza proposto possono causare lo slittamento a verificarsi. Tuttavia, il contatto adattabile, uno dei principali proprietà intrinseche della gomma di silicone, ha permesso la pinza per conformarsi al contorno superficie dell'oggetto. Noiritiene che tale adattabilità migliora indirettamente la stabilità della presa. Modifica delle superfici di contatto di presa, ad esempio incorporando disegno denti nella superficie di contatto, può aiutare a fornire grip stabili. Infine, rispetto ad altri pinze morbidi con tre o più bracci ^15-17, le prestazioni di aderenza della proposta di pinza robotica a due mascella in termini di stabilità sono meno favorevoli.

Questa tecnica è altamente scalabile, per cui varie pinze robotiche morbide che vanno dalla piccola scala, come ad esempio pinze chirurgiche, a larga scala, come le pinze mano in catene di montaggio industriali, possono essere fabbricate. In particolare, varie pinze possono essere adattati sulla base della progettazione degli stampi. Per esempio, una pinza nervo ibrido che combina sia la componente di presa morbida e una rigida riavvolgitore gancio nervo può essere proposto per l'uso in manipolazione chirurgica. Il componente di presa morbida è racchiuso in un involucro rettangolare e gonfierà vicino alla punta arEA per trattenere il nervo sul riavvolgitore gancio quando viene applicata pressione al canale. Si affronta un limite comune per l'utilizzo di dita di presa, come le ganasce tendono a spingere gli oggetti verso l'esterno quando chiudono, che pone certa difficoltà a cogliere. Sarà utile per raccogliere i nervi e quindi fornire una presa compatibile, mentre le pinze ganasce morbide potevano solo grip e raccogliere oggetti che non sono già in contatto con le superfici.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

La ricerca è stata sostenuta da R-397-000-204-133 (National University of Singapore Young Investigator Award).