用于微创手术中软体模块化机器人的弹性单元设计与制造

本方案的总体目标是制造一种柔性单元，可集成至多模态操纵器中，用于微创手术。该方法通过展示如何优化具有高灵活性和刚度调节能力的柔性操纵器的制备工艺，有助于解决软体机器人领域中的关键问题。该技术的主要优势在于其速度快且成本低。

此外，最终产品可被复制以构建多模态架构，从而提升机械臂的性能。通常，刚接触该方法的研究人员会遇到困难，因为具有复杂形状的硅胶模块通常需要多阶段的制作流程，且优化过程往往耗时较长。该方法的可视化演示至关重要，因为外部光刻 fabrication 步骤较难掌握，这些步骤基于一种商用光刻胶，但已针对最终用途进行了彻底修改。

演示该实验步骤的是我实验室的博士研究生Jada Bon和研究助理Margarita Blanco。将12克A组分和12克B组分加入同一个培养皿中，混合均匀以制备硅胶。然后将混合好的硅胶置于真空压力为1巴的脱气装置（DGA）中。

保持材料处于真空状态，直至硅胶材料中的所有气泡完全去除。通常需要约10分钟。一旦材料完全无气泡，即可释放真空并取出硅胶，此时硅胶已准备就绪，可供使用。通过先将加强圆筒和腔室顶部插入盖子A中，然后闭合外壳，完成模具的组装。

将硅胶倒入已组装好的模具中，直至达到壳体的边缘。将烤箱温度设置为60摄氏度，并将注满硅胶的模具放入烤箱中。让硅胶固化约30分钟。

去除固化硅胶的外部外壳以及帽盖A。接着，将硅胶模块从腔室基部插入，并将加强圆筒插入帽盖B内。再次闭合外壳，将其向上滑动10毫米，使模块的顶面与外壳边缘之间形成10毫米的间隙。然后向重新组装的模具内注入额外的硅胶，直至填满外壳顶部边缘。

将新浇注的硅胶在 60 摄氏度的烘箱中固化约 30 分钟。取下外部壳帽 B 以及除加劲圆筒外的所有腔室。将直径为 3 毫米的硅胶管截成约 30 厘米长。

在每根管子一端的外侧前10毫米处涂抹硅胶。然后将管子插入硅单元的2毫米专用通道内。

让胶水固化12分钟。在室温下，剪取70厘米长的可扩张编织护套，然后将一根直径3厘米、长25厘米的金属圆柱体插入护套内。接着，向下推压并用力将护套压入圆柱体，以形成褶皱。

机械固定护套，使用夹具将其固定，并用加热枪在 350 摄氏度下加热 2 到 3 分钟。为了获得永久性形变，让护套冷却至室温，然后移除内部圆柱体。将硅胶单元的管子穿过盖帽 C 的孔洞。随后，将 3 克 DGAs 硅胶倒入盖帽 C 中，并将先前制备的模块底端滑入盖帽 C 内。将已压接的护套套在模块周围，将前几道压接部分推入盖帽 C 内，并浸入刚倒入的硅胶中。

将烘箱温度设置为60摄氏度，将样品放入其中约20分钟。待硅胶固化后，使用盖帽D固定模块顶部的护套，并在另一侧重复相同操作。待顶部硅胶也完全固化后，分别从模块底部和顶部取下盖帽C和盖帽D。

最后，从整个硅胶单元上取下加固圆筒。将几克液态乳胶倒入塑料杯中，将圆筒浸入液态乳胶中以在内部形成膜，直至表面完全覆盖。然后将圆筒从乳胶中取出，并在通风橱下静置干燥20分钟。

然后再次将其浸入乳胶中形成第二层，并再干燥20分钟。干燥后，从模具上取下膜。将一根直径为2毫米的管子截成30厘米长。

然后取一块10毫米×10毫米的尼龙织物，用超级胶水将织物封住管子的一端。接着称取约4克颗粒状咖啡，并尽可能多地将粉末填入膜中。将管子的滤过端插入装有粉末的膜内，并将其固定在管子周围。

使用塑料薄膜，在管的另一侧施加真空以使膜变硬，然后将膜插入硅胶模块的空心中央通道内。接着，将增强膜的两端粘接到硅胶模块上。封闭模块底侧的环形部分。

将一些新鲜的硅胶倒入环中，以使表面平整，并在通风橱下让硅胶干燥。最后，取下环，并对模块的上表面重复此操作。当三个腔室同时施加相同压力时，模块会从0 bar时的50毫米长度开始伸长，在0.65 bar压力下达到83.3毫米，对应伸长量为33.3毫米，约为66%。仅使用其中一个或两个腔室将导致装置发生弯曲。

单腔弯曲时，该模块最大可弯曲至120度，双腔弯曲时最大可弯曲至80度。在这两种情况下，当腔体充气压力达到约0.3 bar时，即开始产生显著的弯曲。当单个腔体被驱动时，该模块可产生24.1牛顿的力，而当三个腔体同时充气时，可产生最大达47.1牛顿的力。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在四小时内完成。该技术为软体机器人领域的研究人员探索流体驱动、致动与可变刚度技术在柔性结构中的结合奠定了基础。观看本视频后，您应能充分理解如何管理软材料的 molding（模塑）过程，以及如何将柔性 3D 执行器与可变刚度机制集成。

请注意，操作硅胶时，接触乳胶可能非常危险，因此执行此操作时，务必采取预防措施，例如在通风橱中操作并佩戴手套。