Гидравлический мягкий микрозахват для биологических исследований.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21403 (2022) Цитировать эту статью

781 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Мы разработали микромасштабный гидравлический мягкий захват и продемонстрировали обращение с насекомым без повреждений. Этот захват изготовлен на основе полидиметилсилоксана (ПДМС) с использованием технологии литья из мягкого материала для формирования трех пальцеобразных колонн, которые размещаются на круглой мембране. Пальцы имеют длину 1,5 мм и диаметр 300 мкм каждый; расстояние между двумя пальцами составляет 600 мкм межцентрового расстояния. Мембрана в виде мягкой пленки толщиной 150 мкм построена поверх цилиндрического полого пространства. Приложение давления к внутреннему пространству может привести к изгибу мембраны. Изгиб мембраны вызывает движение открытия/закрытия захвата, в результате чего три пальца могут захватить предмет или отпустить его. PDMS была охарактеризована, а экспериментальные результаты позже использовались в программном обеспечении Abaqus для моделирования захватывающего движения. Диапазон деформации захвата исследовался путем моделирования и эксперимента. Результат моделирования согласуется с экспериментами. Для этого микрозахвата, совместимого с микрофлюидными системами, была измерена максимальная сила 543 мкН, и он мог поднять шарик весом 168,4 мг и диаметром 0,5 мм. С помощью этого микрозахвата удалось успешно манипулировать муравьем без каких-либо повреждений. Результаты показали, что изготовленное устройство имеет большой потенциал в качестве микробиоманипулятора.

Эволюция робототехники за последние несколько десятилетий открыла новые технологии захвата в различных областях, таких как хирургия, биологические исследования и манипулирование небольшими объектами1,2,3,4,5,6. Минимально инвазивная хирургия (МИС) во многом зависит от роботизированных технологий, позволяющих свести к минимуму травмы пациентов и улучшить клинические результаты7. Иногда MIS все еще может вызывать сложности из-за травматических повреждений, и более широкое клиническое внедрение MIS требует более гибких приводов, чтобы обеспечить более высокую ловкость хирурга, минимизировать количество операций и обеспечить деликатный контакт захвата с тканью7,8. Кроме того, работа с биологическими образцами в различных средах и разного размера должна успешно осуществляться с использованием роботов-манипуляторов9. Большинство имеющихся в продаже захватов с их жесткой конструкцией не подходят для работы с деликатными и хрупкими биологическими объектами и образцами9,10.

Для работы с мягкими и хрупкими биологическими образцами предлагаются несколько захватов на основе различных механизмов срабатывания, таких как сплавы с памятью формы (SMA)11, пьезоэлектрические12, электростатические МЭМС13 и различные мягкие приводы14. Пьезоэлектрическая керамика и тонкие пленки широко использовались для разработки различных приводов, пригодных для использования в роботах и ​​концевых эффекторах15. Точный контроль движения пьезоэлектрических актуаторов, высокая плотность мощности и быстрое время отклика являются основными преимуществами пьезоэлектрических актуаторов16,17,18. Пьезокерамика может стимулировать разработку различных типов приводов, но по-прежнему требует сложного механизма передачи микроперемещений, а сборка миниатюрных приводов является сложной задачей19. Высокое напряжение, необходимое для срабатывания пьезоэлектрического материала, является еще одним недостатком этого семейства актуаторов, который может ограничить их применение в области биологических исследований и хирургии20.

В приводах SMA в качестве исполнительного элемента используются провода или тонкие пленки SMA. Этот простой механизм может производить большую силу и ход21. Хотя различные приводы можно разработать с использованием проводов SMA и тонких пленок, их сборка становится более сложной, когда размер устройств меньше миллиметра22. Сложность необходимых систем отопления/охлаждения наряду с медленной реакцией являются дополнительными недостатками приводов SMA23,24. Правильная и дорогая система терморегулирования имеет важное значение25,26. Потребность в нагреве элементов SMA может ограничить применение этих приводов для манипулирования термочувствительными биообразцами и живыми тканями из-за латерального термического повреждения27,28. Электростатические МЭМС-приводы в основном основаны на процессе микропроизводства кремния29. Хорошо отлаженный процесс изготовления сделал эту группу приводов идеальными и экономически эффективными в качестве 2D-структур и хорошим кандидатом на миниатюризацию29,30. Проблемы с правильной упаковкой и изоляцией МЭМС-актуаторов являются основными недостатками этого семейства актуаторов31. Все вышеупомянутые приводы разработаны на основе твердых материалов. Эта особенность материала является недостатком при работе с хрупкими образцами, и ее решение увеличит их сложность32,33. Ни один из этих приводов не способен справиться с биологическими объектами без ущерба. Чтобы расширить возможности обработки хрупких образцов, необходимо разработать захват нового уровня, основанный на правильном сочетании материала и привода.