Name: design and fabrication of an elastomeric unit for soft modular robots in minimally invasive surgery
Uploaded: 2015-11-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 6 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery at JoVE.com

This work was supported by the EC within the framework of the STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project (#287728).

注：このプロトコルは、チャネル、作動パイプラインと外部シースを補強、流体室を含む単一モジュールの製造段階を説明しています。次の手順は、ドラフトおよび安全上の理由から白衣、手袋を着用して下で実行されなければなりません。前述したように、エラストマーユニットの製造工程は、CADソフトウェアで設計金型の連続使用に基づいています。これらは、 図2に示し、表1に列挙される 13個で構成されています。 シリコーンの調製<ol><li>同じプラスチックガラスやシャーレに部分Aを12gとパートBを12gを秤量し、それらを一緒に混合、撹拌。 注：パートA（塩基）及びパートB（触媒）：素材の割合は、使用される特定のシリコーンに応じて変化することができ、この場合には、2つの部分からなります。重量1B：これらは、比例1Aに使用されています。 </li><li>ミックスを含有するガラスを置きます1バールの真空圧力で脱ガス装置にシリコーン材料を編すべてのバブルは、シリコーン材料から除去されるまで真空下でガラスを保管​​してください。採用シリコーンについて脱ガス処理は、約10分かかります。材料は気泡の存在から完全に自由になったら、マシンに大気圧を回復したシリコーンを使用しています。 </li></ol> Siliconicモジュールの2製作<ol><li>金型の組立体。 <ol><li> cap_Aに補剛筒と室の上部を挿入します（ 図3a）。 </li><li> cap_Aの第二の層の周りにシェルを閉じます。 </li></ol></li><li>まずシリコーンキャスティング。 <ol><li>シェル（ 図3b）の端に組み立てられた金型までの内部のシリコーンを注ぎます。 </li><li>約30分間60℃のオーブンで金型を置きます。 </li></ol></li><li>金型の転位。 <ol><li>外部シェルを削除し、cap_A（ 図3C）。 </li><li>室の拠点とcap_B（ 図3d）の内部補強シリンダーからシリンダーを挿入します。 </li><li>モジュールの上面とシェル（ 図3E）のエッジ間10mmのギャップを持つために上方10mmのそれらを滑り、モジュールの周りに再び殻を閉じます。 </li></ol></li><li>第二に、シリコーンキャスティング。 <ol><li>上側のシェルの端に再配置の金型までの内側にシリコンを注ぐ（すなわちまた、補強シリンダーまで）（ 図3F）。 </li><li>約30分間60℃のオーブンに型を入れてください。 </li><li>外部シェルを削除し、cap_Bと（補強筒を除く）室（ 図3G）。 </li></ol></li></ol>チューブの挿入3. <ol><li>同じ所望の長さ（例えば300ミリメートル）に3つの管をカットします。 </li><li> OBのない、10ミリメートルのために各管の一方の端部の周りにsiliconic接着剤を入れてチューブをstructing。 </li><li> siliconicユニット（ 図3H）で2ミリメートル専用チャネルの内側にチューブを挿入します。 </li><li>室温で12分の硬化時間を許可するか、より高い温度でオーブン内部のモジュールを置く - 乾燥プロセスをスピードアップするために（50°〜60°）。 </li></ol>圧着編組シースの4作製<ol><li>拡張可能な編組シース（モジュールの約15倍の高さ）の700ミリメートルをカット。 </li><li>直径30mmとシース内部の長さは250ミリメートルの金属製の円筒を挿入します。 </li><li>押し下げと捲縮を作成するために、筒の上にスライドさせてシースを強制します。 </li><li>永久変形が得られるまで、機械的に2〜3分間、350℃で加熱ガンでクランプし、熱のある場所でシースを固定します。 </li><li>シースはクールダウンし、内筒を削除してみましょう。 </li></ol>外部シースの5統合<ol><li>合格しますcap_Cのスルーホールチューブ。 </li><li> cap_Cにシリコンの3グラムを注ぎます。 </li><li>作業面よりも高いサポートにcap_Cを固定します。 </li><li>以前cap_Cに加工モジュールの底面側を挿入します。 </li><li>モジュールの周りにクリンプシースをスライドさせます。 </li><li> cap_C内側シースの最初のひだを押して、新鮮に注ぎ、シリコーン（ 図3I）にそれらを浸し。 </li><li>約20分間60℃のオーブンに型を入れてください。 </li><li> cap_D（ 図3J）を使用して 、上側にシースを固定するためのポイント5.1から5.6と同じ手順を繰り返します。 </li><li> cap_Cとcap_Dを削除します。 </li><li>中央のシリンダ（ 図3K）を取り外します。 </li></ol>粒状ジャミング膜の作製6 <ol><li>プラスチックグラスに液体ラテックスの5グラムを注ぎます。 </li><li>表面まで液体ラテックス内側の膜（ 図2に示されている最後のピース）のためにシリンダーを浸し完全に覆われています。 </li><li> 20分間のボンネットの下にそれが乾燥してみましょう。 </li><li>ポイント6.2と6.3を繰り返します。 </li><li>金型からの膜を除去します。 </li></ol>粒状ジャミング膜の7.挿入<ol><li>所望の長さ（例えば300ミリメートル）にチューブ（直径2 mm）をカットします。 </li><li>約100mm 2のナイロン組織の二乗の部分をカットし、プラスチックパラフィンフィルムや瞬間接着剤を使用して、この組織をチューブの一端を閉じます。 </li><li>コー​​ヒー粉末の4グラムを計量し、膜を埋めます。 </li><li>満たされた膜の内側チューブ（フィルタが付いている）を挿入し、プラスチックパラフィンフィルムを使用してチューブの周囲にそれを修正。 </li><li> （膜がより堅くなり）チューブの反対側に真空を適用します。 </li><li> siliconicモジュール（ 図3リットル ）の空の中央チャネルの内側の膜を挿入します。 </li><li>シリコーンモジュールに硬化膜の端部を接着。 </li><li>トップの周りのリングを閉じますモジュール（ 図3メートル ）の側面。 </li><li>表面を平らにするためにリングにシリコンの2グラムを注ぎます。 </li><li>フードの下、60℃でオーブンでシリコーンドライをしてみましょう。 </li><li>リングを取り外します。 </li><li>ポイント底辺のための7.11から7.8（ 図3N）から繰り返します。 </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

The technique described in this protocol enables the fabrication of a pneumatically actuated soft unit usable for modular compliant structures. Thanks to the design of the molds and their simple assembly, it is possible to fabricate one complete module in about 4 hours with 7 main steps. The process of fabrication involves specific materials, which are easily available, and work should be carried out under a fume hood. An external set up including air valves, air compressor and vacuum pump is necessary to activate the module motion and stiffening. 
For the fabrication of the soft unit, several elastomeric materials were mechanically tested in order to choose the most suitable for the specific application. Silicone was selected for its high flexibility, low hysteresis, and easy molding. 
The fabrication process is based on simple steps, however various critical aspects should be discussed. The fabrication of the crimped braided sheath, reported in Section 4 of the protocol, starts from a commercial braided sheath in polyester with an internal diameter of 32 mm. The dimensions of the metallic cylinder, used for crimping, have to ensure the right development of the crimps, the necessary space to insert the module (inner diameter) and the sufficient distance between the crimps. These features enable the module to work correctly when the chambers are inflated: the sheath has the function to limit the radial expansion of the silicone when the chambers are inflated, avoiding the &#8220;balloon effect&#8221; of the chambers. Close crimps improve the expansion of the silicone along the motion direction optimizing the bending and the elongation movements. In addition, particular care is needed when heating the sheath in order to prevent overheating, which can degrade the material. 
Considering the fabrication and the insertion of the granular jamming membrane (step 6 in the protocol), the filter on the tip of the vacuum tube is necessary to prevent dispersion of the granular material inside the fluidic system. At the moment, the filter consists of a nylon tissue. However, a miniaturized commercial filter could make the vacuum activation safer. The current membrane used for the granular jamming is made of latex. This material ensures a good level of stiffness when the vacuum is applied. However, this requires more attention: the latex inhibits the polymerization of platinum-catalyzed silicone on the top and bottom of the module. The siliconic glue, mentioned in Section 7.7, fixes the membrane and also isolates the latex from the silicone at the extremity of the module, thus the final polymerizations are guaranteed. 
Multiple units can be integrated in order to obtain a multi-module manipulator. Preliminary research demonstrates the possibility of connecting three modules20, 21 with a functionally modular architecture where each module replicates the same functionalities. However this integration is limited to a maximum of 3 or 4 modules, due to the method of passing the tubes inside the chambers. This method reduces the available space, thus limiting the multi-module approach to a low number of modules.
Future work will focus on integrating on-board valves, thus enhancing the modularity. The same fabrication technique can be used to produce miniaturized modules (quantities should scale accordingly), however the performance decay has not yet been evaluated. The list of materials used, could be further modified to meet more stringent biocompatibility requirements.

医療分野における最近の傾向は、外科手術の侵襲性の低減を推進しています。低侵襲手術（MIS）が正常に腹部の操作のために、ここ数年で改善されました。 MIS手順は腹壁上に配置された四、五アクセスポイント（トロカール）を介して導入されたツールの使用に基づいています。トロカールの数を減らすために、器具は、シングルポート腹腔鏡（SPL）または自然開口腔的内視鏡手術（NOTES）1を挿入することができます。これらの手順は、外部見える傷を防ぐが、手術を実行する際に臨床医のための難しさを増加させます。この制限は、アクセスの減少したポイントにし、回避または臓器2、3の周囲を通過することができない楽器の剛性及び半剛性の性質のために主にある。敏捷および運動性は関節型とハイパー冗長使用して改善することができますより広い、より複雑な作業領域をカバーすることができるロボット、目私たちは、体内の特定のターゲットをより簡単に4、5、6に到達することにし、7必要な後退システムとして動作することが可能となります。柔軟マニピュレータは、このように、従来のツールでより安全に接触すること、組織のコンプライアンスを向上させることができます。 しかし、これらのマニピュレータは、多くの場合、目標が達成される安定性を欠いており、一般的に、彼らは周囲の組織8との接触を制御することはできません9。研究は、このようなタコのアーム10と象のトランク11のような生物学的構造、上、最近のデザインにインスピレーションを与えてきましたフリーダム（自由度）の程度の冗長数、および制御可能な剛性12と、柔軟に変形可能と準拠のマニピュレータ。デバイスのこれらの種類は、受動的なバネ、 ​​スマート材料、空気圧要素、または腱13、14、15を使用しています。一般的に、ソフトで柔軟性のある材料で製作マニピュレータは、大きな力が発生するのを保証するものではありません。 T彼STIFFプ（手術用剛性制御柔軟で学習可能なマニピュレータ）はマニピュレータは最近、タコの機能に触発NOTESとSPLのための新規な外科用デバイスとして提示されています。以前のソフトマニピュレータの限界を克服するためには、高い器用さ、高い力制御剛性16と同様にソフトボディを有しています。 マニピュレータのアーキテクチャはモジュール方式に基づいています。同じ構造と機能を持つ複数のユニットは、一体化されています。単一のユニットは、 図1に示されている。これは、マルチ加工によって得られるエラストマー性シリンダーに基づいています。金型部品の組立工程や鋳造プロセスは、3つの空室（流体作動のため）と埋め込 ​​まれる（粒状のジャムベース機構 18 を収容するための）1の中空中央チャネル17を有効にします 。チャンバはそのように、120°に配置されていますIR組み合わせたインフレ率は、無指向性運動と伸びを生成します。また、外部編組シースは、このように（曲げ及び伸び）モジュールモーションで室の作動の効果を最適化し、加圧されたときに、流体室の外側に半径方向拡張を制限するために、外部に配置されます。 中央チャネルは、粒状材料を充填した外膜からなる円筒デバイスを収容します。真空圧が印加されると、それは、モジュール全体の特性に影響を与える硬化を引き起こし、その弾性特性が変化します。 運動及び剛性性能を補強チャネル内の真空を活性化するためのチャンバと、1つの真空ポンプを作動させるための空気圧縮機と3つの圧力弁を含む、外部の設定によって制御されます。直感的なユーザーインターフェイスは、モジュール内の作動および真空圧力の制御を可能にします。 本稿ではfabricatioの詳細このマニピュレータとレポートの基本的な運動能力の最も重要な結果の一つのモジュールのn個のプロセス。デバイスのモジュールの性質を考えると、ただ1つのモジュールの製造および性能の評価はまた、結果を拡張すると、二つ以上のモジュールを統合したマルチモジュールマニピュレータの基本的な挙動を予測することができます。

<table><tbody><tr><td>Ecoflex 00-50 Trial Kit</td><td>SmoothOn</td><td></td><td>Used for the fabrication of the soft unit, combining equal amounts of liquid parts A (the base) and B (the catalyst)</td></tr><tr><td>Latex</td><td>Antichit&amp;agrave; Belsito</td><td></td><td>Used for the fabrication of the granular jamming membrane</td></tr><tr><td>Peroxide-Cured Silicone Tubing</td><td>Cole Parmer</td><td>T-06411-59</td><td>Used for actuating the chambers and applying vacuum</td></tr><tr><td>PET expandable braided sleeving</td><td>RS</td><td>408-249</td><td>Used for the fabrication of the external braided sheath</td></tr><tr><td>Silicone Rubber</td><td>Momentive</td><td>127374</td><td>Used to fix the actuation tubes to the module</td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06720-40</td><td>Used to fix the latex membrane to the vacuum tube</td></tr><tr><td>Fume hood Secuflow</td><td>Groupe Waldner</td><td></td><td>Working space</td></tr><tr><td>Precision scale</td><td>KERN EW</td><td></td><td>Used to weight silicone, latex and coffee powder</td></tr><tr><td>Oven/degasser</td><td>Heraeus</td><td></td><td>Used to degass the silicone and reduce its cure time</td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>DVP Vacuum Technology</td><td></td><td>Used to apply vacuum to the latex membrane</td></tr></tbody></table>

design and fabrication of an elastomeric unit for soft modular robots in minimally invasive surgery

近年では、ソフトロボット技術が原因で構造化されていない環境では、その本質的に安全な相互作用のために医療分野への関心を高めること喚起しています。同時に、新しい手順および技術は、外科手術の侵襲性を低減するために開発されてきました。低侵襲手術（MIS）が正常腹部の介入のために使用されている、しかし、標準的なMIS手順は、主に臨床医の器用さを制限する剛性または半剛性のツールに基づいています。本稿では、MISのための柔らかく、高い器用なマニピュレータを提供します。マニピュレータは、タコの腕の生物学的機能に触発された、およびモジュール方式で設計されています。各モジュールは、複数のモジュールが統合されているときにこのように高い器用さと汎用性を実現し、同じ機能特性を提供します。論文は、キャスティによって作製された単一ユニットの開発のために必要な設計、製造プロセスや材料の内訳を特定の型の内部グラムシリコーン。結果は、伸びとユニットの無指向性の屈曲を可能にする3つの柔軟性空気圧アクチュエータを含むエラストマー気筒で構成されています。外部編組シースは、モジュールの動作を改善します。各モジュールの中央には粒状のジャムベースのメ​​カニズムは、タスク中の構造の剛性を変化させます。テストモジュール120°まで曲げ、初期長さの66％まで伸長することが可能であることを示しています。モジュールは、47 Nの最大の力を発生し、その剛性は36％まで増加させることができます。

プロトコールに記載製造の様々な段階は、 図3に示されています。 手法の有効性および最終プロトタイプの成果を評価するために、モジュールは、異なる作業条件下で試験しました。外部セットアップは、モジュールの作動と剛性の両方を制御することができます。これは3つのバルブを作動させるエアコンプレッサとを含みます。彼らは、チャンバー内に統合siliconicチューブに接続し、その加圧を可能にしています。真空ポンプは、モジュールの剛性制御のための粒状ジャミング膜に統合管に接続されています。バルブ及び真空ポンプを作動圧と真空度の値を設定することができ、直感的なユーザーインターフェースで連結されている電子基板に接続されています。 曲げ（ 図3）と伸び（ 図5）、パフォーマンス、分析するために、モジュールは、ベースに固定し、チャンバーは、特定の空気の圧力で作動させました。モジュールの各位置は、光学および磁気センサによって買収されました。力の評価（ 図6）および剛性（ 図7）の場合、ロードセルは異なる方向に、モジュールの能力を測定することができ、ロボットアームによって移動されます。 曲げ試験（ 図4）は 、モジュールの積極的な無指向性能力を評価します。 1室曲げの場合には、唯一つのチャンバは、2室のための2つのチャンバが同時に同じ圧力で加圧されており、屈曲しながら、内部の圧力を増加させる作動されました。ベースラインモジュールの先端の線との間の角度で曲げ角度は、（ 図4の挿入図を参照）を、圧力値に対応し、モジュールの各位置に対して計算されました。モジュールは、1室bendiの場合は120°まで曲げることができるですNG、2室は湾曲させるため80℃まで。両方の場合において、有意な曲げは、チャンバは、約0.3バールによって膨張されたときに（すべての報告された圧力値は、大気圧に関連する）を開始します。曲線の傾きがこの値に対応して増加することが図4のハイライトのプロット。これは、シリコンの初期の横方向の膨張は外部シースによって妨害される点を表し、そしてモジュールの屈曲が容易になります。シースは、その最大伸長能力に到達するために0.55バールの圧力で、曲線はほぼ一定であり、加圧されたチャンバは、完全に使用可能なシースを伸ばしているので、シリコンの長手方向の膨張は、曲げ最大値に対応する一定の値に制限され角度。 すべての3つのチャンバが同時に同じ圧力で作動されると 、図5に示すように、モジュールは、伸長する。から始まっ50mmの長さが、モジュールは、約66％の伸びに相当する83.3ミリメートルに達します。ここでも、外部シースが伸び能力の急激な増加があるの周りに0.3バーでその効果を示し始めます。伸長時にシースが最大伸び、それに到達しないためプラトーが高い圧力で存在しません。 モジュールは、1つのチャンバは、3つのチャンバが（ 図6）を膨張さ47.1 N、まで、作動すると、24.1 Nからの力を生成することができます。 補強チャネルで1バールの真空圧（絶対）の活性化はY、Xに曲げ90°の残りの条件で36％、19.6％、12.4％および17.2％の（ 図7）モジュールの剛性の増加を示し、それぞれz方向。 提示されたプロトコルは、単一のソフトユニットを作成し、様々な簡単な修正を加えて、同様の操作をするために製造することがモジュールを可能にしますマルチモジュールマニピュレータを作成します。マニピュレータのための可能な解決策は、空気圧作動がパイプラインによって、モジュールに供給されている二つ以上のモジュールを統合することです。作動管は直接最初のモジュールを作動させ、他の配管は、モジュールの統合20、21の予備的な作品で実証されたように、次のモジュールのチャンバを加圧するために、このモジュールのチャンバーを通過することができる。この場合、金型の部分がありますチューブを挿入し、渡すために、2つのシリンダ、上部に1と下部に1つずつ持っている室を除いて同じ。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig1.jpg" /> モジュールのマニピュレータとCADの図1の概念は。マニピュレータは、マルチモジュールのアプローチに基づいています。単一ユニットは、3つの流体アクチュエータ、一つの中央チャネルハウジング粒状ジャミングを埋め込むソフト気筒、3πで構成されていますPESは、モジュールの動作を改善するための圧力と外部編組シースを供給する。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig2.jpg" /> 製造プロセスのために、図2の金型部品13個、全体的なシリコーンが注がれているに金型を組み立てるために、カスタムラテックス膜を製造するために使用されます。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig3.jpg" /> 図3の製造段階のCAD。チャンバーの挿入およびcap_Aに補強筒（a）に示すように、第一のシリコーンキャスティング（B）、シェルとcap_C（c）は 、cap_Bの導入（d）に示すように、シェルの再配置の除去（e）は 、第二のシリコーンキャスティング（f）は 、殻の除去、及びcap_B室（G）、挿入チューブ（H）、下側（I）への固定用のcap_Cとシースの挿入、上部側（J）への固定用のcap_Dとシースの挿入、cap_Dの除去および補強筒（k）は 、挿入粒状妨害膜（L）が、モジュール（M）、最後のモジュール（N）の周りに半リングの閉鎖。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig4.jpg" /> 図4.曲げ試験。モジュール1室を作動させる（青線）と2つのチャンバが作動している（ピンクの線）の挙動。曲げ角度は、インセット内のモジュールに表示されます。モジュールを作動させるために使用される圧力の範囲は、0.05のステップで0.65バールに0バーから行きます。モジュールの各位置について、曲げ角度を算出しました。この図は、[19]から引用されています。 <html><img alt="図5" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig5.jpg" /> 図5.伸び試験。伸長時のモジュールの動作。すべての3つのチャンバは、同時に同じ圧力で作動されます。圧力範囲は0バーから0.65バーに行きます。各位置について伸びを計算しました。この図は、[19]から引用されています。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/53118/53118fig6.jpg" /> x方向に沿って等尺性条件下での力の図6.フォーステスト。評価。ロードセルは、モジュールの上部に配置された力は、作動チャンバの数に対する三つの異なる例で計算しました。この図は、[19]から引用されています。 OAD / 53118 / 53118fig7.jpg &quot;/&gt; 図7.剛性テスト。四つの異なる構成で剛性の変化の評価と同じ室を作動させました。異なる変位は6自由度のロボットを使用して、モジュールの先端に課されました。剛性は、モジュール（A）の基本条件で計算され、90°Y、x及びz方向 （B、C、D）に沿って曲げました。この図は、[19]から変更されています。 <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:533px;" width="533"><colgroup><col /><col /><col /></colgroup><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:160px;"> 金型部品 </td><td style="width:59px;"> 数 </td><td style="width:315px;"> 説明 </td></tr><tr height="120"><td height="120" style="height:120px;">シェル</td><td> 2 </td><td style="width:315px;">これらは、HAVEA半円筒形状は、12.5ミリメートルと14.5ミリメートルの外半径の内部半径と高さが40ミリメートルです。閉じたとき、それらはsiliconic部の形状を表している円筒を形成します。シェルがポリオキシメチレンで製造されます。 </td></tr><tr height="180"><td height="180" style="height:180px;">チェンバース</td><td> 3 </td><td style="width:315px;">これらのチャンバは、作動室の負を表します。彼らは、丸い縁を有する半円筒フル形状を有する4ミリメートルの半径と高さが30ミリメートルです。駆動パイプラインの導入を容易にするために、各チャンバの底部に1.5mmの直径13 mmの長さの円柱があります。チャンバは、3Dプリンタ機を用いて製造されています。 </td></tr><tr height="85"><td height="85" style="height:85px;width:160px;">粒状のジャミング機構にシリンダーを（補剛</td><td> 1 </td><td style="width:315px;">これは、補強チャネルの負です。これは、56ミリメートルであります高さと直径8mm。これはsiliconic円筒の中心からのその除去を容易にするためにアルミニウムで製造されます。 </td></tr><tr height="200"><td height="200" style="height:200px;"> cap_A </td><td> 1 </td><td style="width:315px;">これは、上記の作品を修正し、整列させるために使用される支持片です。これは、第1の高さの7ミリメートル、およびその他の3ミリメートル場所の外部シェル近いため25ミリメートルのための29ミリメートルの直径を有する、高さ10mmのディスクです。チャンバの上部形状は、上部チャンバを挿入するために3mmの深さで、120°で配置され、第二の層の内部に設計されています。キャップの中央には、直径8mmの穴を補強チャネルのシリンダーを収容します。 </td></tr><tr height="80"><td height="80" style="height:80px;"> cap_B </td><td> 1 </td><td style="width:315px;">この支持片は、単に導入するための3つの穴を有する第2の層毎に異なる、cap_Aに似ていますチャンバーのベースで設計シリンダの。 </td></tr><tr height="140"><td height="140" style="height:140px;"> cap_Cとcap_D </td><td>各1 </td><td style="width:315px;">これらの支持体は、シースがモジュールに固定することを可能にします。それらを35mmと補強筒を挿入するための直径8mmの中心孔の内径を有しています。それが挿入されるパイプを可能にするために、直径2mmの3つの穴を有するのでCap_Cがcap_Dは異なります。 </td></tr><tr height="80"><td height="80" style="height:80px;">半リング</td><td> 2 </td><td style="width:315px;">これらは、30mmの内径と10mmの高さを有します。彼らは、アルミニウムで作られています。これらは決定的モジュールを閉じるために、製造の最終段階で使用されています。 </td></tr><tr height="160"><td height="160" style="height:160px;">膜用シリンダー</td><td> 1 </td><td style="width:315px;">それは番目のカスタム膜の製造に使用され電子粒状妨害メカニズム。これは、高さ50mm、直径15mmで、膜をモジュールに導入するための便利な形状を得るために四肢を丸めました。基部には、1つの薄い円筒部は、膜製造中に支持体上に金型を修正します。 </td></tr></tbody></table> 表1型用部品。

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

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.

低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

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

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K ビュー.  Scuola Superiore Sant'Anna. 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. 

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Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an elastomeric dielectric membrane sandwiched between two compliant electrodes. The large actuation strains of these transducers when used as actuators (over 300% area strain) and their soft and compliant nature has been exploited for a wide range of applications, including electrically tunable optics, haptic feedback devices, wave-energy harvesting, deformable cell-culture devices, compliant grippers, and propulsion of a bio-inspired fish-like airship. In most cases, DETs are made with a commercial proprietary acrylic elastomer and with hand-applied electrodes of carbon powder or carbon grease. This combination leads to non-reproducible and slow actuators exhibiting viscoelastic creep and a short lifetime. We present here a complete process flow for the reproducible fabrication of DETs based on thin elastomeric silicone films, including casting of thin silicone membranes, membrane release and prestretching, patterning of robust compliant electrodes, assembly and testing. The membranes are cast on flexible polyethylene terephthalate (PET) substrates coated with a water-soluble sacrificial layer for ease of release. The electrodes consist of carbon black particles dispersed into a silicone matrix and patterned using a stamping technique, which leads to precisely-defined compliant electrodes that present a high adhesion to the dielectric membrane on which they are applied.

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

工学

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending deformation and low input. However, their monotonous bending motion form in two-dimensional (2-D) space keeps them away from wide applications. This paper presents a detailed fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers, to explore their motions in three-dimensional (3-D) space. The design of oblique chambers enables actuators with tunable coupled bending and twisting capabilities, which gives them the possibility to move dexterously in flexible manipulators, to become biologically inspired robots and medical devices. The fabrication process is based on the molding method, including the silicone elastomer preparation, chamber and base parts fabrication, actuator assembly, tubing connections, checks for leaks, and actuator repair. The fabrication method guarantees the rapid manufacturing of a series of actuators with only a few modifications in the molds. The test results show the high quality of the actuators and their prominent bending and twisting capabilities. Experiments of the gripper demonstrate the advantages of the development in adapting to objects with different diameters and providing sufficient friction.

Here we present a fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers. The actuators are capable of generating coupled bending and twisting motions, which broadens their application in soft robotics.

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

設計と体外超音波特注ロボット ・ マニピュレーターの実装

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a laser cutter machine. The method starts with the lamination of thermoplastic polyurethane (TPU) sheets using a heat press for 10 min at the temperature of ~93 &#176;C. Next, the parameters of the laser cutter machine are optimized to produce a rectangular balloon with maximum burst pressure. Using the optimized parameters, the soft actuators are laser cut/welded three times sequentially. Next, a dispensing needle is attached to the actuator, allowing it to be inflated. The effect of geometrical parameters on the deflection of the actuator are studied systematically by varying the channel width and length. Finally, the performance of the actuator is characterized using an optical camera and a fluid dispenser. Conventional fabrication methods of soft pneumatic actuators based on silicone molding are time consuming (several hours). They also result in strong but bulky actuators, which limits the actuator&#8217;s applications. Moreover, microfabrication of thin pneumatic actuators is both time-consuming and expensive. The proposed manufacturing method in the current work resolves these issues by introducing a fast, simple, and cost-effective fabrication method of ultrathin pneumatic actuators.

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with a thin form factor. The fabrication method starts with lamination of thermoplastic polyurethane (TPU) sheets followed by laser cutting/welding of a two-dimensional pattern to form actuators and robots.

薄型軟空アクチュエータ・ロボットの迅速な製造

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...

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.

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.

繊細な組織操作のためのカスタマイズ可能なソフトロボット空気圧グリッパ装置のロッドベースの試作

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

生物工学

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

炭素系イオン電気機械式活性式式式式式式式アクチュエータの製造

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with slopes of up to 84&#176;. The manufacturing method is valid for the fast pneunet bending actuators in general and might, therefore, be interesting for newcomers to the field of actuator manufacturing. The control of the robot is achieved by means of a pneumatic control box that can provide arbitrary pressures and can be built by only using purchased components, a laser cutter, and a soldering iron. For the walking performance of the robot, the pressure-angle calibration plays a crucial role. Therefore, a semi-automated method for the pressure-angle calibration is presented. At high inclines (&#62; 70&#176;), the robot can no longer reliably fix itself to the walking plane. Therefore, the gait pattern is modified to ensure that the feet can be fixed on the walking plane.

This protocol provides a detailed list of steps to be performed for the manufacturing, control and evaluation of the climbing performance of a gecko-inspired soft robot.

ヤモリにインスパイアされたソフトロボットの製造・制御・性能評価

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...

握力と指の回復力の向上による脳卒中リハビリテーションの革命

A Flexible Wearable Supernumerary Robotic Limb for Chronic Stroke Patients

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping movements. The design of this innovative limb draws inspiration from bending pneumatic muscles and the unique characteristics of an elephant's trunk tip. It places a strong emphasis on crucial factors such as lightweight construction, safety, compliance, waterproofing, and achieving a high output-to-weight/pressure ratio. The proposed structure enables the robotic limb to perform both envelope and fingertip grasping. Human-robot interaction is facilitated through a flexible bending sensor, detecting the wearer's finger movements and connecting them to motion control via a threshold segmentation method. Additionally, the system is portable for versatile daily use. To validate the effectiveness of this innovation, real-world experiments involving six chronic stroke patients and three healthy volunteers were conducted. The feedback received through questionnaires indicates that the designed mechanism holds immense promise in assisting chronic stroke patients with their daily grasping activities, potentially improving their quality of life and rehabilitation outcomes.

著者スポットライト:柔軟なロボット肢を持つ片麻痺患者の把持能力の向上 

This protocol introduces a flexible wearable supernumerary robotic limb tailored to assist in finger rehabilitation for stroke patients. The design incorporates a bending sensor to facilitate seamless human-robot interaction. Validation through experiments involving both healthy volunteers and stroke patients underscores the efficacy and dependability of the proposed study.

慢性脳卒中患者のための柔軟な装着型超過ロボット四肢

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping ...

低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

要約

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シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワークアクチュエータの作製

設計と体外超音波特注ロボット・マニピュレーターの実装

薄型軟空アクチュエータ・ロボットの迅速な製造

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