CN108938089A - 软体机器人的制造方法 - Google Patents

软体机器人的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108938089A
CN108938089A CN201710359528.1A CN201710359528A CN108938089A CN 108938089 A CN108938089 A CN 108938089A CN 201710359528 A CN201710359528 A CN 201710359528A CN 108938089 A CN108938089 A CN 108938089A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mold
aqueous gel
gel mixture
soft robot
double
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710359528.1A
Other languages
English (en)
Inventor
任洪亮
赫里特威克·班纳吉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Industrial Park Xin Guo Great Research Institute
National University of Singapore
Original Assignee
Suzhou Industrial Park Xin Guo Great Research Institute
National University of Singapore
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Industrial Park Xin Guo Great Research Institute, National University of Singapore filed Critical Suzhou Industrial Park Xin Guo Great Research Institute
Priority to CN201710359528.1A priority Critical patent/CN108938089A/zh
Priority to PCT/SG2018/050245 priority patent/WO2018212718A1/en
Publication of CN108938089A publication Critical patent/CN108938089A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/007—Means or methods for designing or fabricating manipulators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/0006—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid
    • C08B37/0036—Galactans; Derivatives thereof
    • C08B37/0039—Agar; Agarose, i.e. D-galactose, 3,6-anhydro-D-galactose, methylated, sulfated, e.g. from the red algae Gelidium and Gracilaria; Agaropectin; Derivatives thereof, e.g. Sepharose, i.e. crosslinked agarose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/24—Crosslinking, e.g. vulcanising, of macromolecules
    • C08J3/246—Intercrosslinking of at least two polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/04—Coating
    • C08J7/05—Forming flame retardant coatings or fire resistant coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/04—Coating
    • C08J7/06—Coating with compositions not containing macromolecular substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/12—Agar or agar-agar, i.e. mixture of agarose and agaropectin; Derivatives thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/005—Flexible endoscopes
    • A61B1/0051—Flexible endoscopes with controlled bending of insertion part
    • A61B1/0055—Constructional details of insertion parts, e.g. vertebral elements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00526—Methods of manufacturing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00831—Material properties
    • A61B2017/00862—Material properties elastic or resilient
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00831—Material properties
    • A61B2017/00898—Material properties expandable upon contact with fluid
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00831—Material properties
    • A61B2017/00942—Material properties hydrophilic
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2300/00—Characterised by the use of unspecified polymers
    • C08J2300/14—Water soluble or water swellable polymers, e.g. aqueous gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2305/00—Characterised by the use of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08J2301/00 or C08J2303/00
    • C08J2305/12—Agar-agar; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2433/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2433/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides
    • C08J2433/26—Homopolymers or copolymers of acrylamide or methacrylamide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides
    • C08L33/26—Homopolymers or copolymers of acrylamide or methacrylamide

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明公开了一种软体机器人的制造方法，包括：制备模具；制备包括琼脂糖、丙烯酰胺在内的水凝胶混合物；加热水凝胶混合物，直至琼脂糖完全溶解；将液体形式的水凝胶混合物导入模具中；将模具进行冷却，直至形成琼脂糖凝胶；将模具暴露在紫外线下，使得紫外线均匀照射在水凝胶混合物上，以致丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺；将模具在室温下冷却；将形成的双网络水凝胶从模具中脱模出来。由此得到的软体机器人具有高度可拉伸能力，在人体内的人机交互更加柔韧，并具有良好的生物相容性。本发明采用“一锅法”制备双网络水凝胶，简化了制造工艺，并通过改变双网络水凝胶的成分组分和制造过程，可以根据软体机器人的具体应用定制专门的双网络水凝胶。

Description

软体机器人的制造方法
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，特别是涉及适用于内窥镜的、基于水凝胶的软体机器人的制造方法。
背景技术
在手术中医疗器械与人体组织不可避免会发生接触，尽可能减少这种接触对人体产生的不良刺激或造成的物理损伤是很有必要的。例如，降低医疗器械的尺寸和刚度，缩小切口创伤等。作为手术中基本的设备，内窥镜被用来进入病人体内并实时反馈手术操作处的图像信息，因此这种设备通常需要具有细长的外形，易于被病人接受同时可以提供多个自由度。
软体机器人是一种新型柔韧机器人，其作为新兴的快速增长的机器人制造工程领域，在人机柔顺交互以及机器人和未知环境交互领域具有广泛的应用前景。相对于刚性不灵活的传统机器人，软体机器人对外界输出的压力载荷更小，不容易对环境中的施加对象造成损伤或损坏，因此可适用于很多人机交互场合，比如康复机器人和微创手术机器人。以生物体内部微创手术为例，在微创内窥镜手术中软体机器人将会特别具有潜力，其允许灵活的、可控的内窥镜执行器尽可能减少对周围组织的损伤，同时提供必要的灵活性和强度。例如，软体机器人的气动执行器通常设计为在活体内使用，并且需要可以承受特定生物体内环境中的压力的柔性生物相容性材料。软体机器人通常采用硅胶等非金属柔性材料构成核心执行机构，以便在人机交互中增加灵活性、可压缩性和安全性。
构成软体机器人的核心执行机构的材料通常是柔软的、有弹性的，采用特定硬度和灵活性的解决方案。硅胶由于其灵活性和易于制造被认为是软机器人可行的材料。然而，尽管硅胶部件易于制造，但是目前这种技术的缺点在于，硅胶不能适应小型/精细的软机器人结构，因为由于硅胶的高粘度，硅胶不能在小型模具中浇铸和固化。并且，在医疗应用中使用硅胶还存在硅胶构成生物相容性威胁的问题。在人体体内环境中，硅胶具有释放毒素的趋势，引起身体免疫反应并导致感染。此外，值得注意的是，使用预先制备的硅胶混合物制造出的硅胶型软质机器人通常具有标准的机械性能，使得它们不可根据特定场景定制并应用。
水凝胶长期以来是生物工程中最常用的材料之一。水凝胶的高含水量使其成为组织工程和细胞培养的理想生物相容性材料。水凝胶交联亲水性多孔结构也可以容易地吸收和释放水分，保持结构规律性。在一些情况下，水凝胶已被用于构建对电刺激做出响应的毫米级凝胶步态器。随着多元3D生物打印机的产生和不断发展，水凝胶制造可以缩小到与细胞的相互作用相当的微米尺度。虽然这是一种前景广阔的技术，但是在水凝胶的制造过程中存在一些限制因素，例如，由于溶胀、扩散过程和柔软恢复性质的复杂性，难以实现麻烦的多步聚合过程。由于高含水量和交联结构，通常使用的如琼脂糖和聚乙二醇(PEG)等水凝胶通常产生非常低的拉伸性和压缩性。
发明内容
鉴于此，为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于内窥镜的、基于水凝胶的新的软体机器人的制造方法。
为实现本发明的目的，提出了一种软体机器人的制造方法，包括以下步骤：
制备软体机器人的执行器部件的模具；
制备水凝胶混合物，所述水凝胶混合物包括；琼脂糖、丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、光引发剂和去离子水；
加热所述水凝胶混合物，直至所述琼脂糖完全溶解，并且保持所述水凝胶混合物为液体形式；
将液体形式的所述水凝胶混合物导入所述模具中；
将导入有所述水凝胶混合物的所述模具进行冷却，直至形成琼脂糖凝胶；
将导入有所述水凝胶混合物的所述模具暴露在紫外线下，并且不断转动或翻转所述模具，使得紫外线均匀照射在所述水凝胶混合物上，以致所述丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺，所述水凝胶混合物由此形成双网络水凝胶；
将形成有所述双网络水凝胶的所述模具在室温下冷却；
将所述双网络水凝胶从所述模具中脱模出来，得到基于双网络水凝胶的执行器部件，所述执行器部件包括三个气动空腔；以及
通过柔性管将所述执行器部件的所述三个气动空腔分别连接至三个由电机驱动的气体注射泵。
在其中一个实施例中，所述模具包括：外壳，其为圆柱形；圆柱销，其沿着所述外壳的轴心设置在所述外壳内部的中心位置；以及三个矩形销，其绕所述圆柱销在所述外壳内部等间距设置；其中，在所述外壳的底部开设有通孔，所述通孔适于向所述外壳内部导入所述水凝胶混合物。
在其中一个实施例中，所述模具由丙烯酸制成。
在其中一个实施例中，所述水凝胶混合物包括126.74mg的琼脂糖、2.85ml的丙烯酰胺、0.15ml的5mg/ml的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、35.99mg的光引发剂和2.00ml的去离子水。
在其中一个实施例中，所述光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
在其中一个实施例中，将液体形式的所述水凝胶混合物导入所述模具中包括将所述模具浸入填充有所述水凝胶混合物的容器中，使用吸力将所述水凝胶混合物吸入所述模具中。
在其中一个实施例中，导入有所述水凝胶混合物的所述模具暴露在紫外线下120分钟。
在其中一个实施例中，在将所述双网络水凝胶从所述模具中脱模出来后，采用绕线机在得到的基于双网络水凝胶的所述执行器部件的外表面生成螺纹。
在其中一个实施例中，所述方法还包括通过改变N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的浓度或导入有所述水凝胶混合物的所述模具暴露在紫外线下的持续时间，改变得到的基于双网络水凝胶的所述执行器部件的弹性、强度和刚度。
在其中一个实施例中，所述方法还包括将基于双网络水凝胶的所述执行器在低于零摄氏度的温度下保存。
根据本发明的软体机器人的制造方法，通过琼脂糖形成的琼脂糖凝胶和丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺，可以得到双网络水凝胶。这种基于双网络水凝胶的软体机器人具有高度可拉伸能力，其机械性能更适于在软体机器人中的应用，使得软体机器人在人体内的人机交互更加柔顺有韧性。并且，这种基于双网络水凝胶的软体机器人保持了水凝胶原有的生物相容性，不容易引起人体产生免疫反应。
相较于传统水凝胶制造中麻烦的多步聚合过程，本发明采用了“一锅法”(One-pot)制备双网络水凝胶，简化了制造工艺。并且通过改变双网络水凝胶的成分组分和制造过程，例如，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的浓度、暴露在紫外线下的持续时间、双网络水凝胶的静置时间，可以改变双网络水凝胶的机械性能，因此可以根据软体机器人的具体应用定制专门的双网络水凝胶。
本发明制备的双网络水凝胶由于其生物相容性、可比较的机械性能和可定制性，能够广泛应用于外科手术机器人(如内窥镜机器人)的制造。
附图说明
图1A为软体机器人的执行器的结构示意图；
图1B为图1A所示的执行器的主体部分的结构示意图；
图1C为图1A所示的执行器的远端部分的截面图；
图1D为图1A所示的执行器的远端部分和主体部分的组合的截面图；
图2A为软体机器人的致动机构的实物顶视图；
图2B为图2A所示的致动机构的实物侧视图；
图2C为图2A所示的致动机构的控制机构的实物图；
图2D为图2A所示的致动机构的压力传感器面板的实物图；
图3为根据本发明的一个实施例的软体机器人的制造方法的流程图；
图4为采用绕线机在软体机器人的执行器部件的外表面生成螺纹的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
以下首先介绍本发明所针对的软体机器人。该软体机器人可作为新型医疗检测机器人，例如内窥镜，它会随人体组织器官的形状和大小而变化，尽可能减少对周围组织的损伤，同时提供必要的灵活性和强度。软体机器人主要由执行器和致动机构两部分构成。执行器用于执行相应任务，致动机构用于驱动执行器的运动。
如图1A-1D所示，软体机器人的执行器可能包括管状的两个部分——主体部分11和远端部分12。远端部分12可伸缩地嵌套在主体部分11中。主体部分11包括沿着主体部分11的长度方向延伸且位于中心的第一圆形空腔111以及绕该第一圆形空腔111周向等间隔分布的三个第一矩形空腔112，这三个第一矩形空腔112相对于第一圆形空腔111彼此呈120度角。远端部分12具有和主体部分11类似的结构，包括沿着远端部分12的长度方向延伸且位于中心的第二圆形空腔121以及绕该第二圆形空腔121周向等间隔分布的三个第二矩形空腔122。第一圆形空腔111和第二圆形空腔121用于容纳微型摄像机的布线。远端部分112和第二矩形空腔122作为执行器的气动气室，其横截面均为矩形，从而当以使总横截面面积最小化来泵送气体时，使施加在气室上的压力最大化(压力＝力/面积)。主体部分11和远端部分12的直径可能分别为9mm和5mm。主体部分11允许更好地和更精确地控制致动压力和运动，而远端部分12允许在更小的内腔中的更好的操作。
图2A-2D展示了驱动上述执行器的致动机构的实物图。该致动机构包括六个注射泵，这六个注射泵分别用于向执行器的六个矩形空腔(三个第一矩形空腔112和三个第二矩形空腔122)注入气体或者从这六个矩形空腔排出气体。注射泵的气体出入口分别通过相应的柔性气体管道连接至矩形空腔。分别使用六个步进电机线性驱动六个注射泵，从而控制供应给软体机器人的执行器中的各矩形空腔的气体量，进而调整各矩形空腔的气体压力。执行器的主体部分11和远端部分12均有三个步进电机控制，因此均具有三个独立的自由度。这使得整个软体机器人具有更大的灵活性。致动机构还可能包括分别连接至六个注射泵的六个压力传感器，每个压力传感器均用于检测气体压力，并将检测结果传递至压力传感器面板。可以采用Arduino Mega电路板和LabView平台控制各步进电机，从而调整各注射泵的气体泵送速率和向执行器的各矩形空腔施加的气体压力。整个致动机构可能被放置在透明的塑料盒中，以便于使用和运输。
以下将通过举例的方式具体说明上述软体机器人的制造方法。如图3所示，该软体机器人的制造方法主要包括以下步骤：
S1、制备软体机器人的执行器部件的模具。
在本实施例中，执行器部件与上述执行器的主体部分11和远端部分12相对应。由于主体部分11和远端部分12的结构基本相同，因此用于制造主体部分11和远端部分12的模具的结构也基本相同，仅在尺寸上存在差异。下面将以执行器的主体部分11的制造为例进行说明。
为形成图1B所示的主体部分11，需制备与其相对应的模具。该模具包括：外壳，其为圆柱形；圆柱销，其沿着外壳的轴心设置在外壳内部的中心位置；以及三个矩形销，其绕圆柱销在外壳内部等间距设置。在本实施例中，圆柱销可能具有12cm的长度和1.5mm的直径，每个矩形销可能具有8cm的长度和3mm的宽度。由于在后续水凝胶混合物的固化过程中，需要紫外线曝光，因此模具必须是透明的。在本实施例中，采用丙烯酸材料，通过3D打印的方式制备模具。此外，在外壳的底部开设有通孔，通孔适于向外壳内部导入水凝胶混合物
S2、制备水凝胶混合物。
水凝胶混合物包括；琼脂糖、丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA交联剂)、光引发剂和去离子水。在本实施例中，水凝胶混合物包括126.74mg的琼脂糖、2.85ml的丙烯酰胺、0.15ml的5mg/ml的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、35.99mg的光引发剂和2.00ml的去离子水。光引发剂可能采用2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
水凝胶混合物的制备过程可能如下：使用电子天平称量琼脂糖和光引发剂的量，将琼脂糖和光引发剂转移到带盖的平底塑料试管中；用100-1000uLDragon LAB微量移液器分别吸取定量的丙烯酰胺，MBA和去离子水注入到平底塑料试管中；使用电子搅拌器将水凝胶混合物搅拌均匀；将搅拌均匀的水凝胶混合物倒入小宽度的试管中。
S3、加热水凝胶混合物，直至琼脂糖完全溶解，并且保持水凝胶混合物为液体形式。
将装有水凝胶混合物的试管放入烘箱中，以90摄氏度的温度加热10分钟，直至琼脂糖完全溶解。这时确保水凝胶混合物仍然是温暖和液体形式。
S4、将液体形式的水凝胶混合物导入模具中。
将模具缓慢浸入填充有水凝胶混合物的试管中，等待气泡到达表面并弹出，使用吸力将水凝胶混合物吸入模具中。由于低粘度，在吸力的作用下水凝胶混合物可以容易地泵送，而不会产生任何气泡。
S5、将导入有水凝胶混合物的模具进行冷却，直至形成琼脂糖凝胶。
可以将导入有水凝胶混合物的模具在室温下静置约10到15分钟，直至琼脂糖形成琼脂糖凝胶，使得水凝胶混合物具有凝胶状稠度。
S6、将导入有水凝胶混合物的模具暴露在紫外线下，以致丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺。
将导入有水凝胶混合物的模具放入电机驱动的紫外线灯匣子中，由于模具是透明的，使得水凝胶混合物完全暴露在紫外线(UV)中。在UV光聚合中，将导入有水凝胶混合物的模具放置在远离光源10cm处并以6rpm旋转，以使得UV光均匀照射在水凝胶混合物上。在紫外线作用下，丙烯酰胺不断聚合形成聚丙烯酰胺(PAM)。在本实施例中，水凝胶混合物暴露在紫外线下120分钟，便可以固化形成双网络(DN)水凝胶——琼脂/PAM水凝胶。
S7、将形成有双网络水凝胶的模具在室温下冷却。
S8、将双网络水凝胶从模具中脱模出来。
双网络水凝胶的湿度和由丙烯酸制成的模具的光滑表面确保了光滑的脱模。脱模得到的基于双网络水凝胶的执行器部件包括三个气动空腔，如图1B所示。
在将双网络水凝胶从模具中脱模出来后，如图4所示，还可以采用绕线机在得到的基于双网络水凝胶的执行器部件的外表面生成螺纹，以限制该执行器部件的径向膨胀。
S9、组装。
通过柔性管将执行器部件的三个气动空腔分别连接至三个由电机驱动的气体注射泵。此外，当上述步骤制造得到的是执行器的主体部分时，还可以采用与执行器的远端部分相对应的模具，重复上述步骤，从而制造得到执行器的远端部分。将主体部分和远端部分组装在一起得到完整的执行器。
在上述步骤中，还可能包括改变MBA的浓度或紫外线暴露的持续时间，改变得到的双网络水凝胶的弹性、强度和刚度，使得可以根据软体机器人的具体应用定制专门的双网络水凝胶。
为了防止得到的双网络水凝胶脱水，可以将基于双网络水凝胶的执行器在低于零摄氏度的温度下保存。根据配方，琼脂/PAM水凝胶中水的浓度约为80％，因此该水凝胶可以在零摄氏度以下冷冻，从而防止水分流失。
根据本发明的软体机器人的制造方法，通过“一锅法”(One-pot)，即通过琼脂糖形成的琼脂糖凝胶和丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺，可以得到双网络水凝胶。相较于传统水凝胶制造中麻烦的多步聚合过程，本发明的制造方法简化了水凝胶的制造工艺。本发明的基于双网络水凝胶的软体机器人具有高度可拉伸能力，其机械性能更适于在软体机器人中的应用，使得软体机器人在人体内的人机交互更加柔顺有韧性。在测试中，本发明的双网络水凝胶能承受1800％的拉伸应变和300kPa的拉伸应力，而传统硅胶在500％应变状态下即被穿透。
此外，本发明的基于双网络水凝胶的软体机器人保持了水凝胶原有的生物相容性，不容易引起人体产生免疫反应。并且通过改变双网络水凝胶的成分组分和制造过程，例如，MBA的浓度、暴露在紫外线下的持续时间、双网络水凝胶的静置时间，可以改变双网络水凝胶的机械性能，因此可以根据软体机器人的具体应用定制专门的双网络水凝胶。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种软体机器人的制造方法，包括以下步骤：
制备软体机器人的执行器部件的模具；
制备水凝胶混合物，所述水凝胶混合物包括；琼脂糖、丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、光引发剂和去离子水；
加热所述水凝胶混合物，直至所述琼脂糖完全溶解，并且保持所述水凝胶混合物为液体形式；
将液体形式的所述水凝胶混合物导入所述模具中；
将导入有所述水凝胶混合物的所述模具进行冷却，直至形成琼脂糖凝胶；
将导入有所述水凝胶混合物的所述模具暴露在紫外线下，并且不断转动或翻转所述模具，使得紫外线均匀照射在所述水凝胶混合物上，以致所述丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺，所述水凝胶混合物由此形成双网络水凝胶；
将形成有所述双网络水凝胶的所述模具在室温下冷却；
将所述双网络水凝胶从所述模具中脱模出来，得到基于双网络水凝胶的执行器部件，所述执行器部件包括三个气动空腔；以及
通过柔性管将所述执行器部件的所述三个气动空腔分别连接至三个由电机驱动的气体注射泵。
2.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述模具包括：
外壳，其为圆柱形；
圆柱销，其沿着所述外壳的轴心设置在所述外壳内部的中心位置；以及
三个矩形销，其绕所述圆柱销在所述外壳内部等间距设置；
其中，在所述外壳的底部开设有通孔，所述通孔适于向所述外壳内部导入所述水凝胶混合物。
3.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述模具由丙烯酸制成。
4.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述水凝胶混合物包括126.74mg的琼脂糖、2.85ml的丙烯酰胺、0.15ml的5mg/ml的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、35.99mg的光引发剂和2.00ml的去离子水。
5.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
6.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，将液体形式的所述水凝胶混合物导入所述模具中包括将所述模具浸入填充有所述水凝胶混合物的容器中，使用吸力将所述水凝胶混合物吸入所述模具中。
7.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，导入有所述水凝胶混合物的所述模具暴露在紫外线下120分钟。
8.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，在将所述双网络水凝胶从所述模具中脱模出来后，采用绕线机在得到的基于双网络水凝胶的所述执行器部件的外表面生成螺纹。
9.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述方法还包括通过改变N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的浓度或导入有所述水凝胶混合物的所述模具暴露在紫外线下的持续时间，改变得到的基于双网络水凝胶的所述执行器部件的弹性、强度和刚度。
10.根据权利要求1所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述方法还包括将基于双网络水凝胶的所述执行器在低于零摄氏度的温度下保存。
CN201710359528.1A 2017-05-19 2017-05-19 软体机器人的制造方法 Pending CN108938089A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710359528.1A CN108938089A (zh) 2017-05-19 2017-05-19 软体机器人的制造方法
PCT/SG2018/050245 WO2018212718A1 (en) 2017-05-19 2018-05-21 Method for making soft robot with stretchable coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710359528.1A CN108938089A (zh) 2017-05-19 2017-05-19 软体机器人的制造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108938089A true CN108938089A (zh) 2018-12-07

Family

ID=64274531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710359528.1A Pending CN108938089A (zh) 2017-05-19 2017-05-19 软体机器人的制造方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN108938089A (zh)
WO (1) WO2018212718A1 (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109648545A (zh) * 2019-01-31 2019-04-19 江苏大学 一种基于水凝胶驱动器的软体机器人
CN109770840A (zh) * 2019-01-24 2019-05-21 浙江工业大学 一种可变刚度的柔性胃镜
CN109866231A (zh) * 2019-02-19 2019-06-11 江苏大学 一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人
CN109942864A (zh) * 2019-03-20 2019-06-28 苏州斯坦得新材料有限公司 一种新型智能材料及其制备方法
CN110040189A (zh) * 2019-03-27 2019-07-23 江苏大学 一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动跳跃软体机器人
CN110563971A (zh) * 2019-10-24 2019-12-13 上海大学 一种电响应智能水凝胶及其制备方法、操作手类软体机器人

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3123863A1 (en) 2018-12-21 2020-06-25 Advanced Aesthetic Technologies, Inc. Crosslinked polysaccharides and related methods
CN110263385B (zh) * 2019-05-28 2020-11-10 西安交通大学 一种弯曲状态下的软体双向弯曲气动执行器的数学建模方法
KR102478131B1 (ko) * 2020-12-17 2022-12-15 서울대학교산학협력단 순차적으로 비틀림 변형 및 굽힘 변형이 가능한 뉴-넷 장치
KR102478112B1 (ko) * 2020-12-17 2022-12-15 서울대학교산학협력단 순차적으로 이중 변형이 가능한 뉴-넷 장치
CN112795235B (zh) * 2020-12-31 2022-10-04 合肥工业大学 一种纳米复合水凝胶油墨的制备及其在3d打印中的应用
CN116626986A (zh) * 2023-05-31 2023-08-22 西华大学 一种新型光刻膜板的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102802551A (zh) * 2009-05-29 2012-11-28 南洋理工大学 用于可曲式内窥镜术的机器人系统
CN103224633A (zh) * 2013-04-02 2013-07-31 天津工业大学 一种用于人工肌肉的自增强杂化水凝胶及其制备方法
CN105209605A (zh) * 2013-03-15 2015-12-30 奥加诺沃公司 工程化肝组织、其阵列及其制备方法
US20160288414A1 (en) * 2013-11-04 2016-10-06 University Of Iowa Research Foundation Bioprinter and methods of using same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9387276B2 (en) * 2012-01-05 2016-07-12 President And Fellows Of Harvard College Interpenetrating networks with covalent and Ionic Crosslinks
WO2014176304A1 (en) * 2013-04-25 2014-10-30 The University Of Akron One-pot synthesis of highly mechanical and recoverable double-network hydrogels
US9878506B2 (en) * 2014-12-22 2018-01-30 Massachusetts Institute Of Technology Compliant yet tough hydrogel systems as ultrasound transmission agents
CN105778123A (zh) * 2016-03-15 2016-07-20 华南理工大学 一种琼脂氧化石墨烯双网络水凝胶及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102802551A (zh) * 2009-05-29 2012-11-28 南洋理工大学 用于可曲式内窥镜术的机器人系统
CN105209605A (zh) * 2013-03-15 2015-12-30 奥加诺沃公司 工程化肝组织、其阵列及其制备方法
CN103224633A (zh) * 2013-04-02 2013-07-31 天津工业大学 一种用于人工肌肉的自增强杂化水凝胶及其制备方法
US20160288414A1 (en) * 2013-11-04 2016-10-06 University Of Iowa Research Foundation Bioprinter and methods of using same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HRITWICK BANERJEE 等: "Optimizing Double-Network Hydrogel", 《SOFT ROBOTICS》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109770840A (zh) * 2019-01-24 2019-05-21 浙江工业大学 一种可变刚度的柔性胃镜
CN109648545A (zh) * 2019-01-31 2019-04-19 江苏大学 一种基于水凝胶驱动器的软体机器人
CN109866231A (zh) * 2019-02-19 2019-06-11 江苏大学 一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人
CN109942864A (zh) * 2019-03-20 2019-06-28 苏州斯坦得新材料有限公司 一种新型智能材料及其制备方法
CN109942864B (zh) * 2019-03-20 2021-11-16 苏州斯坦得新材料有限公司 一种智能材料及其制备方法
CN110040189A (zh) * 2019-03-27 2019-07-23 江苏大学 一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动跳跃软体机器人
CN110040189B (zh) * 2019-03-27 2021-12-21 江苏大学 一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动跳跃软体机器人
CN110563971A (zh) * 2019-10-24 2019-12-13 上海大学 一种电响应智能水凝胶及其制备方法、操作手类软体机器人

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018212718A1 (en) 2018-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108938089A (zh) 软体机器人的制造方法
Farahani et al. Wound healing: from passive to smart dressings
US8568147B2 (en) Tissue mimicking phantom
Raman et al. Light-degradable hydrogels as dynamic triggers for gastrointestinal applications
CN106536707B (zh) 在生物反应器系统中制造心脏类器官的方法和装置
Fox et al. Fabrication of sealed nanostraw microdevices for oral drug delivery
JP4520500B2 (ja) 組織処理装置
Raman et al. Biohybrid Design Gets Personal: New Materials for Patient‐Specific Therapy
CN108784837A (zh) 软体机器人及其制造方法和控制系统
JP6510388B2 (ja) 生体適合性ゲル材料、生体適合性ゲル材料の製造方法、生体適合性ゲル電極、及び生体組織吸着デバイス
CN106008850A (zh) 一种用于3d打印的改性水凝胶材料及其在药物负载上的应用
ES2809880T3 (es) Procedimiento para la producción de parches o elementos de celulosa estructurados y dispositivos fabricados utilizando dicho procedimiento
CN109880137A (zh) 一种用于柔性磁电器件基底的生物相容丝素膜的制备方法
Soon et al. On-demand anchoring of wireless soft miniature robots on soft surfaces
Ghanbariamin et al. Cleanroom‐Free Fabrication of Microneedles for Multimodal Drug Delivery
JP2020529263A (ja) 膨張可能な医療用バルーン
Tognarelli et al. A pilot study on a new anchoring mechanism for surgical applications based on mucoadhesives
WO2023196236A2 (en) Adaptive patches for dynamic organs
US20220288278A1 (en) Ultrasound mediated polymerization for cell delivery, drug delivery and 3d printing
Wang et al. Nanopore generation in biodegradable silk/magnetic nanoparticle membranes by an external magnetic field for implantable drug delivery
JP5939536B2 (ja) ウェットボックス及びそれを用いた低侵襲手術用トレーニング装置
Joseph et al. Implantable Microfluidic Device: An Epoch of Technology
CN111616773A (zh) 一种治疗泌尿和消化系统结石的取石装置及其使用方法
CN105031725A (zh) 一种构建节段性个体化人体尿道三维支架材料的方法
Chansoria et al. Instantly adhesive and ultra-elastic patches for dynamic organ and wound repair

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181207