Name: rod-based fabrication of customizable soft robotic pneumatic gripper devices for delicate tissue manipulation
Uploaded: 2016-08-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 49 s
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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 Nervenschä...

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><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&amp;egrave;mes&amp;nbsp;</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 unbesc...

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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 ...

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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

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.

Herstellung von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern

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

Ingenieurwesen

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 ...

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.

Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall

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.

Schnelle Fertigung von dünnen Soft Pneumatikantrieben und Robotern

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 ...

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.

Herstellung von kohlenstoffbasierten ionischen Elektromechanischen Soft Actuatoren

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.

Herstellung, Steuerung und Leistungsbewertung eines Gecko-inspirierten Softroboters

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

Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots

The present protocol describes the creation of four-dimensional (4D), time-dependent, shape-changeable, stimuli-responsive soft robots using a three-dimensional (3D) bio-printing method. Recently, 4D printing techniques have been extensively proposed as innovative new methods for developing shape-transformable soft robots. In particular, 4D time-dependent shape transformation is an essential factor in soft robotics because it allows effective functions to occur at the right time and place when triggered by external cues, such as heat, pH, and light. In line with this perspective, stimuli-responsive materials, including hydrogels, polymers, and hybrids, can be printed to realize smart shape-transformable soft robotic systems. The current protocol can be used to fabricate thermally responsive soft grippers composed of N-isopropylacrylamide (NIPAM)-based hydrogels, with overall sizes ranging from millimeters to centimeters in length. It is expected that this study will provide new directions for realizing intelligent soft robotic systems for various applications in smart manipulators (e.g., grippers, actuators, and pick-and-place machines), healthcare systems (e.g., drug capsules, biopsy tools, and microsurgeries), and electronics (e.g., wearable sensors and fluidics).

This manuscript describes a 4D printing strategy for fabricating intelligent stimuli-responsive soft robots. This approach can provide the groundwork to facilitate the realization of intelligent shape-transformable soft robotic systems, including smart manipulators, electronics, and healthcare systems.

Vierdimensionaler Druck von stimuli-responsiven Hydrogel-basierten Softrobotern

The present protocol describes the creation of four-dimensional (4D), time-dependent, shape-changeable, stimuli-responsive soft robots using a ...

Revolutionierung der Schlaganfallrehabilitation mit verbessertem Greifen und Wiederherstellung der Finger

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.

Autor im Rampenlicht: Verbesserung der Greiffähigkeiten für halbseitig gelähmte Patienten mit flexiblen Robotergliedmaßen 

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.

Ein flexibles, tragbares, überzähliges Roboterglied für Patienten mit chronischem Schlaganfall

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

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

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Herstellung von biologisch abgeleiteten Injizierbare Materialien für Myocardial Tissue Engineering

Herstellung von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern

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

Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall

Schnelle Fertigung von dünnen Soft Pneumatikantrieben und Robotern

Herstellung von kohlenstoffbasierten ionischen Elektromechanischen Soft Actuatoren

Herstellung, Steuerung und Leistungsbewertung eines Gecko-inspirierten Softroboters

Vierdimensionaler Druck von stimuli-responsiven Hydrogel-basierten Softrobotern

Ein flexibles, tragbares, überzähliges Roboterglied für Patienten mit chronischem Schlaganfall

Ein flexibles, tragbares, überzähliges Roboterglied für Patienten mit chronischem Schlaganfall