生物学研究用の油圧式ソフトマイクログリッパー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21403 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

私たちはマイクロスケールの油圧式ソフトグリッパーを開発し、害虫を傷つけることなく処理できることを実証しました。このグリッパーは、円形膜上に配置された 3 つの指状の柱を形成する軟質材料鋳造技術を使用して、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 上に構築されています。フィンガーの長さは 1.5 mm、直径はそれぞれ 300 μm です。 2 本の指の間の距離は、中心間距離で 600 μm です。 150 µm の柔らかいフィルムであるメンブレンが、円筒状の中空空間の上部に構築されます。内部空間に圧力を加えると膜が曲がる可能性があります。メンブレンを曲げることによりグリッパーの開閉動作が起こり、その結果、3本の指で物体を掴んだり放したりすることができます。 PDMS の特性が評価され、実験結果は後で Abaqus ソフトウェアで使用され、グリップ動作をシミュレートしました。グリッパの変形範囲をシミュレーションと実験により調査した。シミュレーションの結果は実験と一致した。このマイクロ流体互換マイクログリッパーでは最大 543 µN の力が測定され、重さ 168.4 mg、直径 0.5 mm のボールを持ち上げることができました。このマイクログリッパーを使用して、アリを損傷することなく操作することに成功しました。結果は、作製したデバイスがマイクロ/バイオマニピュレーターとして大きな可能性を持っていることを示しました。

過去数十年間のロボット工学の進化により、外科手術、生物学研究、小さな物体の操作など、さまざまな分野で新しい把持技術が開かれました1、2、3、4、5、6。低侵襲手術 (MIS) は、患者の外傷を最小限に抑え、臨床転帰を改善するためにロボット技術に大きく依存しています7。時折、MIS は依然として外傷性損傷により複雑さを引き起こす可能性があり、MIS の臨床導入が進むには、外科医に高い器用性を提供し、設計図を最小限に抑え、グリッパーと組織の繊細な接触を実現するために、より柔軟なアクチュエーターが必要です 7,8。また、ロボットマニピュレーター9を使用して、さまざまな環境でさまざまなサイズの生物学的標本の取り扱いを適切に実行する必要があります。市販のグリッパーのほとんどは、その剛構造を備えており、繊細で壊れやすい生体物体やサンプルを扱うのには適していません9、10。

柔らかくて壊れやすい生体標本を扱うために、形状記憶合金 (SMA)11、圧電12、静電 MEMS13、さまざまなソフトアクチュエータ 14 などのさまざまな駆動機構に基づいた複数のグリッパーが提案されています。圧電セラミックスと薄膜は、ロボットやエンドエフェクターでの使用に適したさまざまなアクチュエーターの開発に広く使用されてきました15。圧電アクチュエータの主な利点は、圧電アクチュエータの動作の正確な制御、高電力密度、および高速応答時間です16、17、18。圧電セラミックスはさまざまなタイプのアクチュエータの開発を促すことができますが、依然として複雑な微小変位伝達機構が必要であり、小型アクチュエータの組み立ては困難です19。圧電材料の作動には高電圧が必要であるため、このファミリーのアクチュエータのもう 1 つの欠点が、生物研究や外科の分野での用途を制限する可能性があります 20。

SMA アクチュエータは、SMA ワイヤまたは薄膜を駆動要素として使用します。このシンプルな機構により、大きな力とストロークを生み出すことができます21。 SMA ワイヤと薄膜を使用してさまざまなアクチュエータを開発できますが、デバイスのサイズがミリメートルスケールよりも小さい場合、それらの組み立てはより困難になります 22。応答が遅いことに加えて、必要な加熱/冷却システムの複雑さも、SMA アクチュエータの限界点となっています 23、24。適切で高価な熱制御システムが不可欠です25,26。 SMA 要素の加熱要件により、横方向の熱損傷により、熱に敏感な生体標本や生きた組織を操作するためのこれらのアクチュエータの適用が制限される可能性があります 27,28。静電 MEMS アクチュエータは主にシリコン微細加工プロセスに基づいています29。十分に確立された製造プロセスにより、このグループのアクチュエータは 2D 構造として理想的でコスト効率の高いアクチュエータとなり、小型化の優れた候補となりました 29,30。 MEMS アクチュエータの適切なパッケージングと分離における課題が、このアクチュエータファミリの主な欠点です31。前述のアクチュエータはすべて硬質材料に基づいて開発されています。この材料の特徴は壊れやすいサンプルを扱う場合の欠点であり、これを解決するとサンプルの複雑さが増すことになります 32,33。これらのアクチュエータはいずれも、生物対象物を損傷することなく取り扱うことができません。壊れやすいサンプルの処理を拡張するには、材料とアクチュエータの適切な組み合わせに基づいた新しいレベルのグリッパーを開発する必要があります。

新しいグリッパーを製造するための適切な柔らかい素材と機構を選択することは、壊れやすい生体サンプルを扱うために不可欠です34。柔らかい材料は硬いポリマーや金属の代替となる可能性があり、それらを使用するとグリッパーが軟組織や生物学的アクチュエーターの特性を模倣することができ、ロボットにさらなる柔軟性を提供できます35,36。軟組織を操作するには、他の軟質ポリマー材料やゲルと比較して、ヤング率が約 10 ～ 6 の PDMS がより良い選択肢になる可能性があります 37,38。軟組織と同様のヤング率を持つ生体適合性 PDMS を使用したソフトグリッパーの開発により、外科医や研究者は軟組織や生体標本を繊細に取り扱うことが可能になります 39,40,41。ソフトロボットは、圧力駆動、光応答、熱応答、磁気応答、電気応答のアクチュエータなど、さまざまな刺激に応答して作動するように設計できます39。電気的に作動するソフトロボットは、セルロースのような柔らかい材料を使用して開発できます。しかし、開発されたセンチメートルサイズのアクチュエータは小型化できず、周囲湿度の影響を受けやすく、応答時間が遅く、信頼性の高いカプセル化が必要です42、43。磁気応答性のソフトロボットは、ポリマー、ゲル、または磁性粒子などの磁性フィラーを含む他のソフトマテリアルの複合材料から形成できます。これらのソフトロボットはカプセル化された領域で動作し、高速作動 (最大約 100 Hz) を実現できます。それでも、これらのアクチュエータには磁場が必要であり、高いエネルギー消費と大きなコイルが必要となります。それでも、比例して強い磁場を提供できる領域は小さく、複雑な制御システムが必要です44、45。熱作動ソフトアクチュエータは、ソフトアクチュエータとしてソフトゲルを使用して開発されています。主な欠点の 1 つは応答時間が遅いことですが、その機能は液体環境に限定される場合があります。他の刺激物に対する耐性の欠如や不要な動きにより、壊れやすい生体標本を扱うことが困難になります。開発された熱作動ソフトロボットのもう 1 つの主な問題は、その製造の拡張性です 46,47。光応答性ソフトアクチュエータを使用して、ソフトグリッパを開発できます。それでも、応答時間が遅いことが、これらのソフトロボットの主な欠点の 1 つです。それらを作動させるために UV 光を使用することは、生体試料の周辺領域での使用を制限するもう 1 つの要因です。熱安定性の欠如と、光源とアクチュエーターの間の真っ直ぐな照準器の必要性も、他の制限要因です48、49。圧力駆動のソフトグリッパーは応答時間が速く、驚くべき量の力を生み出すことができますが、特に小規模なスケールでは依然として製造の複雑さに直面しています50。膜のたわみに基づいて開発された圧力駆動アクチュエータには動作の制限があり、動作を増加させるための追加の機構が必要ですが、この戦略では製造コストと複雑さが増加する可能性があります 51,52。バルーンアクチュエータに基づいて開発されたソフトアクチュエータには変形可能なチャンバが含まれており、その変形は通常、チャンバの構造内の非対称構造または不均質な材料によって支配されます53、54。この設計は汎用性がありますが、小規模グリッパーの製造がさらに複雑になります55。例えば、軟質材料の金型鋳造とハーメチックボンディングを使用してマイクロフィンガーを開発することは、成形の困難さと小さなフィーチャサイズでのハーメチックボンディングの欠陥のため、複雑さを伴います56。開発された個別のマイクロフィンガーを使用してマイクログリッパーを形成するには、非常に複雑な組み立てステップが必要です57。フレキシブルチューブコネクターと圧力駆動のソフトロボットは、他のソフトマイクログリッパー開発アプローチが直面する制約を排除します55。ただし、マイクロスケールアクチュエータの小型化と組み立ては困難であるため、高価な技術を使用する必要があります52、56。製造の複雑さを克服した後、ソフトアクチュエータで圧力差動機構を使用することは、高い力生成密度を備えた低コストのマイクログリッパーを開発するのに役立ちます58。

必要な力の量、作動媒体、応答時間、試験片に力を伝達する必要な方法、好みの材料、および適切なアクチュエータを決定した後、適切なマイクログリッパーを開発できます53。この論文では、低コストの 3D プリンティングとソフトマテリアルキャスティング法を使用して、モノリシック PDMS ベースの 3 本指状カラムを変形可能な膜上に作製し、マイクログリッパーを開発しました。このモノリシックマイクログリッパーを開発することで、圧力駆動マイクログリッパーの製造の複雑さを克服しました。低コストの製造方法を採用しながらも、複雑な組み立て工程も回避しました。有限要素法シミュレーションは、マイクログリッパー設計を最適化するための設計ツールとなるABAQUS 6.12ソフトウェアを使用して実行されました。マイクログリッパーの曲げ特性は、光学顕微鏡イメージングを使用して首尾よく調査され、実験結果はシミュレーションと一致しました。 AE-800 シリーズのピエゾ抵抗微小力センサーを使用して力生成の特性評価を実行し、最大力として 543 µN が測定されました。さまざまな重量と直径のボールをつかんで重量挙げ能力を測定したところ、グリッパーの最大重量挙げ能力として 168.4 mg が測定されました。開発された装置が壊れやすい生体標本を操作できることを確認するために、生きたアリをつかみ、保持し、損傷することなく無事に放すことができました。この論文で開発されたモノリシックマイクログリッパーは、圧力駆動アクチュエーターと PDMS の利点を活用しながら、低コストで簡単な製造手順を実現しました。

この研究で 3D マイクロハンドのようなデバイスを実現するためのアイデアは、キャビティ内の圧力を調整することで開閉できるマイクロスケールのグリッパーを形成することです。設計された油圧式 3D マイクログリッパーの主要部分は、円筒形の空隙の上部に配置された 150 µm の PDMS ベースの膜と、膜の上部にフィンガーとして配置された 3 本のカラムの組み合わせから作成されます。空隙、膜、および 3 本のフィンガーがモノリシックグリッパーを形成します。マイクロ流体工学と互換性のあるマイクログリッパーの設計を図1aに示します。

指をメンブレン上に置き、開閉機構を備えた設計のマイクログリッパー。 (a) PDMS キャスティングに基づいて開発され、マイクロ流体工学と適合するマイクログリッパー。この画像では、中央の空洞に接続されているチャネルが見られます。 (b) フィンガーを開く。 (c) フィンガーを閉じる。

図 1 に示すように、指は変形可能な膜の上に置かれます。膜の形状を凹凸に変形させることで、上部の3本の指先で開閉を行うことができます。したがって、凸状の膜を作成するにはキャビティの内圧を外部の圧力より高くし、凹状の膜を作成するには低くする必要があります。膜の変形は、圧力の量に基づいて分析的または数値的に計算できます。この圧力差に基づく変形メカニズムは、膜の形状には依存しません。半径 a = LX/2 の円形膜の中心におけるおおよその最大変位は、式 1 で与えられます。 (1)59．

この方程式は、膜のたわみについて非常に優れた洞察を与え、静圧 (P)、寸法と形状 (a)、および材料の剛性 (Dflex) の影響を示します。膜の厚さ、膜の直径、または材料の剛性を変更することにより、異なる機能的特徴を備えたデバイスを作成することが可能です。式では、 (2) から、(r) でのたわみを計算できます59。

有限要素ソフトウェア ABAQUS 6.12 を利用して、マイクログリッパーの油圧作動をシミュレートする 3D モデルを構築しました。わずかに圧縮可能なゲント超弾性自由エネルギーは、2 つのパラメーター経験的構成モデルを持ち、構成モデルの等方性部分の超弾性体積項と等方性等方項に使用されます。このモデルの利点は、柔らかい材料で実験的に観察される、大きなひずみでのひずみ硬化を捕捉できることです。要素のロックなどの数値的問題を回避するために、有限要素実装の構成方程式の体積部分と偏差部分を分離します。 \({W}_{V}(J)\) は純粋に体積を表し、\({W}_{D}(\overline{{I}_{1}})\) はその偏差寄与を表します。わずかに圧縮可能なジェント超弾性モデルは次のように与えられます。

\(\mu\) はせん断弾性率、\({J}_{m}\) は材料定数、\(K\) は体積弾性率です。一軸実験データがフィッティングされ、材料特性は \(\mu =0.4\; \text{MPa}\)、\({J}_{m}=5.5\) および \({\text{K} } = 2000\)。

シミュレーションによる変形結果を図2に示します。モデルはPDMSのプレート上に水平に接着されているため、モデルの底面の変位は抑制されています。印加する油圧は、油圧経路に法線方向に作用する圧力荷重として設定しました。一般的な表面間の接触は、図 2a (挿入図) のモデルの 3 本の指に対して設定されました。

正方形のマイクログリッパーと指の曲げと注入量の 3D モデルとシミュレーション結果。 (a) ここでは、膜厚 50 μm、100 μm、150 μm、および 200 μm におけるフィンガーのたわみと注入量の関係が示されています。 (挿入図) 閉じた状態での指の変形のシミュレーション。 (b) この図では、膜直径 1.6 mm、1.8 mm、2 mm、2.2 mm、および 2.4 mm について、さまざまな注入量に対するフィンガーのたわみを確認できます。 (c) この図では、フィンガーの長さ 1 mm、1.5 mm、2 mm、および 2.5 mm について、さまざまな注入量に対するフィンガーのたわみを確認できます。 (d) この図では、フィンガーの直径 100 μm、150 μm、200 μm、および 300 μm について、さまざまな注入量に対するフィンガーのたわみを確認できます。

材料パラメータは一軸実験から得られましたが、さまざまなパラメータの変更がマイクログリッパのたわみ挙動に及ぼす影響を確認するために、さまざまなパラメータを使用して正方形のマイクログリッパのシミュレーションを実行しました。膜の厚さ、膜の直径、フィンガーの直径、およびフィンガーの長さは、デバイスを研究するために使用されるパラメータでした。シミュレーションは、開口領域で 15° 未満のたわみに対して実行されました。

図 2a では、膜のさまざまな厚さに対するフィンガーのたわみと注入量の変化がわかります。膜が厚くなると、変形するためにより大きな力が必要になります。また、膜が厚いと、マイクログリッパーの速度が遅くなり、膜が薄いマイクログリッパーと比較して、同じ角度で曲げるにはより多くの注入量が必要になります。

図 2b では、膜のさまざまな直径に対するフィンガーのたわみと注入量の変化が示されています。さまざまな膜直径のマイクログリッパーの動作に明らかな違いはありません。それでも、膜の直径はマイクログリッパーデバイスの全体のサイズに影響を与える可能性があります。膜の直径が小さくなると、マイクログリッパーの全体のサイズも小さくなります。図 2c では、フィンガーのたわみとフィンガーのさまざまな長さに対する注入量の変化が示されています。フィンガーの長さは、開口部の曲げ角度に影響を与えません。それでも、シミュレーションの結果は、フィンガーが短いと曲げ角度が大きくなる可能性があることを示しています。図 2d では、フィンガーのさまざまな直径に対するフィンガーのたわみと注入量の変化が示されています。フィンガーの厚さは、開口領域の偏向角に影響を与えることはできません。それでも、指が太いと閉じるエンジェルが制限されます。

必要なマイクログリッパーに適切なパラメータを選択するには、用途とともに、製造方法に基づいた製造の実現可能性を考慮する必要があります。たとえば、各フィンガーの直径を選択するには、軟質材料の成形方法に必要な金型を準備できるかどうかが主なパラメータになります。必要なサイズの物体を掴むのに適切な領域を提供するためにフィンガーの中心間距離を 600 μm に固定した場合、フィンガーの直径は繰り返し可能な最小直径である 300 μm に設定されます。ソフトマテリアル成型をベースに市販の3Dプリンターで製作しております。マイクロ流体互換デバイスの場合、フィンガーの長さは 1.5 mm です。この長さは、デバイスの必要なサイズ、指の動きと制御性、生成される力に基づいて選択されます。指が長いほど、より大きなデバイスが形成され、試験片への力の伝達が小さくなります。メンブレンの直径はデバイスのサイズに影響します。設計されたマイクログリッパーの膜の直径は 2 mm です。膜直径が小さいデバイスは、デバイス全体のサイズも小さくなります。膜の厚さは、マイクログリッパーを設計する際のもう 1 つのパラメーターです。膜が薄いと、より少ない注入量またはより少ない水圧で曲げることができる高速なマイクログリッパーが得られますが、膜が厚いとデバイスが遅くなり、同じことを達成するためにより大きな油圧またはより多くの注入水が必要になります。指の曲がり具合。このため、必要なマイクログリッパーを開発するための膜の厚さとして 150 µm が選択されました。この量は、水の注入量に対する指の素早い動きを避けるために膜の厚さ 50 μm および 100 μm ではなく選択され、膜の厚さ 200 μm ではなく選択されて、注入水の量が多く必要になるのを避けるために選択されました。グリッパーの応答時間を短縮する装置を作動させます。

マイクログリッパーは、低コストの軟質材料成形によりポリジメチルシロキサン (PDMS) から製造されています60、61、62。このプロセスに必要な金型は、光造形 3D プリンターを使用して製造されました。 3D プリントされたモールドの製造を最終的に行うために、モールドは光硬化、オーブン内で 65 °C で 72 時間の熱硬化、および表面処理としてシランガスにそれぞれさらされました。シラン処理は、シランガスを含めることにより表面の疎水性を高めることができます63,64。 3D プリントされたモールドの部品を図 3 に示します。図 3a、b では、デバイスのモールド要素が表示されます。型の最初の部分 (図 3a に示す) は、キャビティとしての中央の空洞と指が置かれる膜の形成を担当し、型の 2 番目の部分 (図 3b に示す) は 3 つの要素で設計されました。 3 本の指を形成するための穴。モールドの 2 つの部分を取り付けて、完全なモールドとして封入された閉じたボリュームを形成できます。図 3c では、マイクログリッパー製造用の金型全体が示されています。 PDMS の場合、ポリマーと開始剤を (15:1) の比率で混合して、非常に柔らかく変形可能な材料を実現しました。 PDMS の硬化は 25 °C で 1 週間で実行されました。モールドの疎水性表面と非常に柔軟な軟質材料の組み合わせにより、硬化した PDMS をモールドから取り外すことが可能になりました。

3D プリントされたモールドとマイクログリッパーの製造手順の概略モデル (a、b) マイクログリッパーのモールドキャップとモールド。 (c) 金型の主要部分とキャップを閉じて、マイクログリッパーの金型全体を成形します。赤色は金型の内面を示しています。これらの表面は液体 PDMS と接触し、マイクログリッパーを形成します。 (d、e) 3D プリントされたモールドに液体 PDMS を充填して脱気し、モールドキャップを同じ PDMS で覆いました。 (f) 金型と金型キャップを閉めます。液体および脱泡された PDMS が 3D プリントされた部品にカプセル化されました。見てわかるように、このステップでは、PDMS で充填および被覆された (d) および (e) に示す部分が互いに閉じられて、カプセル化領域が形成されます。 (g) PDMS は 25 °C で 1 週間で硬化しました。硬化した PDMS を 3D プリントしたモールドから取り外し、マイクログリッパーの機能部分を形成しました。

マイクログリッパーの製造手順を図 3 に示します。デバイスを形成するには、3 つの穴のある型の主要部分に液体 PDMS を注ぎました。また、チャネルとキャビティの形成を担う金型のキャップは液体PDMSで覆われていました（図3d、e）。次に、それらを真空中に置き、液体からすべての泡を取り除きました。金型の 2 つの部分が閉じられました (図 3f)。最後に、内部に液体 PDMS が封入された金型を真空中に置き、残留する閉じ込められた気泡をすべて除去しました。型を室温（25℃）で1週間放置した後、2つの部分を開け、硬化したPDMSをゆっくりと取り出しました（図3g）。硬化した PDMS はヤング率 1 MPa で非常に柔らかいため、損傷することなく金型から取り外すことができました。マイクログリッパーの 3 本のフィンガーの SEM 画像を図 4 に示します。

3 本のフィンガーの SEM 画像と、マイクログリッパーの組み立てと完成。 (a) 指の SEM 画像。各フィンガーの直径は 300 μm で、2 本のフィンガー間の中心間距離は 600 μm です。画像内の三角形は、指間の中心間の距離を示しています。各フィンガーの長さは 1.5 mm です。 (b) マイクログリッパーの要素。 (c) 最終的なマイクログリッパー。

製造の最終ステップは、マイクログリッパーの部品を組み立ててデバイスを完成させることでした。この目的のために、酸素プラズマ処理と結合液としての水を使用して、以前に製造された構造を硬化した PDMS のプレート上に結合しました 63,64。最終的に水が蒸発すると、硬化した PDMS の 2 つの部分の間に強力な気密結合が形成され、キャビティ全体とデバイスが正常に形成されました。部品と完成したデバイスを図 4 に示します。

マイクログリッパーのたわみ特性評価は、光学顕微鏡下で精密なマイクロリットルシリンジを使用して実行されました。たわみの程度を特徴付けるために、デバイスをニコン光学顕微鏡の下に置きました。たわみと体積のグラフは、マイクログリッパーのキャビティに注入される水の体積を変化させることによって得られました。キャビティ内に注入される水の量を正確に制御するために、ハミルトンによって製造された精密なマイクロシリンジが使用されました。マイクロシリンジを使用し、適切なチューブを通してキャビティに必要な量の水を手動で注入した後、ニコン顕微鏡のソフトウェアを使用して撮影した光学画像でたわみを測定しました。曲げたフィンガーの側面図と測定された角度を図 5 に示します。

指を横から見た図、指を曲げた状態とその角度を横から見た図。 (a) マイクログリッパーのフィンガーの側面図。 (b) 曲げ指の側面図と測定された曲げ角度 (α)。

図5bから明らかなように、マイクログリッパーを完全に閉じた後、3本の指すべての間にマイクロケージが形成されました。このマイクロケージは、小さくて壊れやすい物体をつかむのに役立ちます。マイクログリッパーの曲げ射出体積実験測定結果を図6に示します。

マイクログリッパーの曲げ特性評価。指の曲がりを光学顕微鏡で測定した。角度 (α) は、キャビティ内に注入された水の量の関数として測定されました。負の角度は、終了レジーム中の角度を表しています。

実験は 15° 未満のたわみを観察するために実行されました。たわみ特性評価を実行したり、膜を 100 回以上曲げた試験片をつかんだ後でも、膜の破断、たわみ曲線のヒステリシス、または性能の変化は観察されませんでした。それでも、25°を超えるたわみは、膜の破れ、漏れ、マイクログリッパーの性能の低下を引き起こす可能性があります。図 7 では、膜の即時破裂と、より大きな体積に対するマイクログリッパーの閉鎖、およびマイクログリッパーの非線形挙動が見られます。

マイクログリッパーの非線形挙動と膜の破裂。指の曲がりを光学顕微鏡で測定した。角度 (α) は、キャビティ内に注入された水の量の関数として測定されました。この測定は、より高い注入量に対して実行され、膜の破裂は、3.5 (μL) を超える量および 25° を超える角度で観察されました。

マイクログリッパーの生成された力を測定するために、AE-800 マイクロフォースセンサーが使用されました。このセンサーはピエゾ抵抗メカニズムに基づいて動作します。力の測定中に望ましくない置き間違いを回避する効果的な測定を行うために、センサーとマイクログリッパーは実体視鏡の下に配置されました。適切な測定を保証するには、指とセンサーのカンチレバーの間のギャップがゼロである必要があります。また、フィンガーとカンチレバーの間の空間的な重なりは、すべての実験において特定の 300 μm の量に正確に調整されました。図 8 では、指とセンサーの光学画像が見られます。

AE-800センサーを使用した力測定。 (a) マイクログリッパーと力センサーの光学画像。マイクログリッパーとセンサーの推奨配置が表示されます。 (b) 指とセンサーのカンチレバーの側面図。

マイクログリッパーの強制注入体積の測定結果を図9に示します。

力の測定。マイクログリッパーの 1 本の指によって生成される力は、AE-800 ピエゾ抵抗力センサーを使用して光学顕微鏡下で測定されます。生成された力の変化が、キャビティ内に注入された水の量の変化と対比して示されます。否定的な力は、閉鎖体制中に生み出された力を表しています。

チャンバーに水を注入することによって生成された水力は膜に伝達され、次に膜からフィンガーに伝達されました。この力を物体に伝えて物体を掴むことができます。ソフト PDMS の圧縮性と曲げ性により、物体に伝達される力は制限されます。指は曲がることがあり、これによって物体に伝わる力が制限されます。また、メンブレンは 150 μm の柔らかい PDMS の薄い層であり、曲げることができ、伝達される力の範囲を定めることができます。開発されたマイクログリッパーの負荷容量を増やすために、開発者はフィンガー、膜、および材料のいくつかのパラメーターを変更できます。ヤング率が高く、圧縮性が低い柔らかい素材は、指の圧縮や不要な曲がりを軽減し、グリッパーによって生成される負荷を増加させることができます。同時に、ヨン係数が高くなると、同じカプセル化された軟質材料成形品を使用してデバイスを製造することが困難になる可能性がある。指が短くて太いと負荷が大きくなり、指が長くて細いと負荷が小さくなります。メンブレンを厚くすると、フィンガとメンブレンの接続点でのメンブレンの局所的な曲がりが軽減され、グリッパの発生負荷が増加する可能性があります。

シミュレーションと実験による測定の比較を図 10 に示します。このグラフは、シミュレーションと実験の結果が非常によく一致していることを示しています。これは、3D モデルが適切に開発されており、後で新しいモデルの設計プロセスで使用できることを意味します。デバイス。シミュレーションと実験測定は同じ傾向を示し、図 10 に示すようにほぼ同じ傾きを示します。一部の部分の傾きはまったく同様ですが、開始領域では、シミュレーションは全体の傾き 15.71 を示し、測定値は 15.71 を示します。全体の斜度は11.43。同様に、終了レジームでは、同じパラメータに対してシミュレーションでは全体の傾きが 8.57 であり、実験では 7.14 が示されています。ポイントツーポイントの値は異なる場合がありますが、同じ傾向と近い傾きは、シミュレーションと実験におけるデバイスの動作が一致していることを示しています。シミュレーションと測定の違いは、漏れ、軟質材料の鋳造方法の不確実性、および材料の不均一性が原因である可能性があります。また、モデルには多少の改善が必要な場合があります。このシミュレーションをさらに開発すると、将来的に必要なマイクログリッパーのパラメータを設計および最適化するための強力なツールが提供される可能性があります。

シミュレーションと実験測定の比較。マイクログリッパーのシミュレーションと測定の比較。シミュレーションと実験による測定は、図に示されているように、同じ傾向とほぼ同じ傾きを示しています。

このプロセス中に標本に損傷が発生する可能性があるため、壊れやすい生物標本の掴みと操作は困難な場合があります。この損傷は、化学衝撃、熱衝撃、超過圧力、放電などの結果発生する可能性があります65、66。開発されたマイクログリッパーは生体適合性のある柔らかい素材で作られており、このマイクログリッパーの作動の刺激は油圧です。組織または生きた標本に他の危険なパラメータが存在しない場合、余分な力が細胞、組織、およびあらゆる種類の生きた標本に損傷を与える唯一の理由になる可能性があります。アリが掴みの場合、掴みの過程で余分な力が加わったために、体の破裂、首や関節の損傷が起こる可能性があります67。

開発したマイクログリッパーが生物学的脆弱なサンプルを正確に操作できるという仮説を証明するために、顕微鏡下でアリの操作を実行しました。アリの長さは約 3 mm、体の平均幅は約 400 μm でした。マイクログリッパーは、生きたアリを物理的に損傷することなくつかみ、保持し、放すことができました。そこで、圧力と指の位置を調整することで、壊れやすい標本の操作に成功しました。アリの操作を図 11 に示します。この目的のために、543 μN の力がアリに誘発されました。これは、指が完全に閉じ始めたときに装置が生成した測定された最大の力でした。また、空洞からより多くの水を吸引しても、昆虫への損傷は観察されませんでした。

生きた昆虫を操作する。 (a) アリをつかみ始めます。針を使用してグリッパーの上部に昆虫を保持します。 (b) 四角形の器具を使用して生きたアリをうまく取り扱う。 (c) グリッパーを開いてアリを解放します。 (d) Ant はグリッパーにダメージを与えずに放置しました。

開発されたマイクログリッパーが小さな物体を掴んで取り扱う能力は、物体のサイズ、全体形状、表面形態、重量などのいくつかの要因に依存しますが、グリッパーの開口値を計算することは役に立ちます。物体が球形の場合、指の途中で掴むと球の直径は最大1.43mmになります。同じ球体が指先で掴めるほど軽い場合、その直径は最大 2.86 mm になります。フィンガーは完全に閉じることができるため、理論的には、これらのグリッパーが掴んで扱える最小サイズはありません。グリッパーのこの能力は、さまざまな直径と重量のバラを持ち上げることによって実験的に測定できます。この目的のために、特定の長さと重量を持つはんだ線の 1 つの先端を加熱することにより、はんだ線からさまざまなボールが作成されました。ボール先端径の異なる重りを用意した例を図 12 に示します。この技術の利点は、ボール (ワイヤの先端) のサイズを変更しながら、ワイヤの長さを変更することで総重量を調整できることです。は一定です。

さまざまなサイズと調整可能な重さ、重量挙げ能力を備えたボール。ボールの大きさは、はんだ線の先端を溶かして調整します。 (a) 0.5 mm、(b) 1 mm、(c) 1.5 mm、(d) 2 mm、(e) 2.5 mm。 (f) 開発されたマイクログリッパーがさまざまな直径のボールを持ち上げることができる最大重量は、ここで確認できます。マイクログリッパーでは直径2mm以上のボールを掴んで持ち上げることはできません。

さまざまな直径のボールをつかんで持ち上げることによって、さまざまなサイズと重量を操作するマイクログリッパーの能力を調べました。結果は図12fに見られます。マイクログリッパーが持ち上げることができる最大重量は、直径 0.5 mm で 168 mg です。

革新的なマイクログリッパーは、軟質材料成形技術と 3D プリント金型を使用して開発されました。 PDMS で作られたこのモノリシックマイクログリッパーは、生成される力と動作を正確に制御できるため、この革新的なマニピュレーターは生体試料の取り扱いに実用的なオプションになりました。

製造の部分で述べたように、提案されたマイクログリッパーは PDMS の単一ステップ成形で製造できます。この論文で紹介するマイクログリッパーの製造には、革新的なカプセル化成形技術が使用されました。作動メカニズムは、膜の 2 つの表面の圧力差による柔軟な膜の曲がりです。式から結論できるように、 (1) 圧力差が高い場合、または膜が薄い場合、変形が大きくなります。これはシミュレーションでも確認されています。同時に、より厚い膜またはより硬い材料は、同じ圧力差または同じ量の注入水量にさらされたときの膜の変形を制限することができます。マイクログリッパーのフィンガーをこの柔軟な膜の上に置きました。

指の曲げの精度は特性評価から明らかになります。これは、指の曲がりが、精密なマイクロシリンジによって制御されるデバイスへの正確な注入量に比例するためです。指の正確な曲げ範囲が広いことに加えて、柔らかい素材を使用しているため物体に伝達される力が制限されていることから、マイクログリッパーが広範囲の壊れやすい物体を操作できることが確認されました。各指の曲げ角度は、デバイスを閉じるときの 8° から開くときの 13° までの範囲でした。フィンガーのたわみの精度は、マイクロリットルシリンジの精度とシリンジの制御精度に大きく依存します。この研究では、マイクログリッパーのキャビティへの注入量の各ステップは 0.1 μL でした。また、このデバイスの測定された曲げ角度の最小ステップは 0.5°でした。

力の測定により、マイクログリッパーの最大生成力は 1 mN 未満であることが明らかになりました。これは、マイクログリッパーが生体試料の取り扱いに適していることを意味します68。デバイス内の 1 本の指で発生する最大絶対力は約 181 µN です。これは、3 本の指が試験片に約 543 µN を加えることができることを意味します。マイクログリッパーの力と体積の比は、絶対力をグリッパーとアクチュエーターの体積で割ったものとして説明でき、1.13 mN/mm3 です。参考として、他のソフトグリッパーの最大絶対発生力は 50mN、3mN、2.2mN であり、グリッパーのサイズを考慮すると、力と体積の比はそれぞれ 0.78、3.3、0.047 mN/mm3 になります 69,70。 71. 生成される力と力と体積の比は両方とも、文献に記載されている他のソフトマニピュレーターよりも高いか同等です 57。また、この開発された装置がさまざまな重量を持ち上げる能力は、さまざまな重量と直径の球体を持ち上げることによって測定されました。 0.5 mm の球の場合 168.4 mg が、デバイスの最大重量挙げ能力でした。

マイクログリッパーのシミュレーションにより、有限要素シミュレーションの 3D モデルを使用して指の動作を予測できることが明らかになりました。このシミュレーションの結果は、デバイスの必要なパラメータを最適化するための設計ツールとして使用できます。シミュレーションと実験測定の間の不一致は、主に、膜内で使用される PDMS のマイクロスケールの変動、製造中の軟質材料の変動、または製造方法の解像度が原因である可能性があります。シリンジからデバイスに圧力を伝達するために使用される軟質チューブや膜を除く軟質表面など、さまざまな部品による水圧の吸収も、シミュレーションと実験測定の違いを引き起こす別の問題となる可能性があります。モデルをより洗練すると、マイクログリッパーの移動方法をより適切に予測できるようになりますが、現在のシミュレーションでは、フィンガーのたわみが適切に予測されることが示されています。

より高い解像度の 3D プリンタを使用することにより、より多くのレベルの小型化を達成できます72。また、開発されたマイクログリッパーにマイクロ/ナノセンサーを統合することで、必要な手順の実行中に診断および検出する機能を備えたマイクロマニピュレーターの開発への道を開くことができます73。

製造プロセスは、EnvisionTEC 製 Perfactory Microprinter を使用して適切なモールドを 3D プリントすることから始まりました。モールドを印刷した後、モールドの光硬化を行いました。そして、65℃のオーブンに72時間放置します。未処理のモールドは PDMS に対して粘着性が高いため、その後、モールドをシランガスで覆いました。図 3 に示すように、金型は 2 つの異なる部分から結合されており、組み立て後に密閉された空間が形成されます。したがって、PDMS ベースの構造を製造するには、まずモールドに PDMS を充填して覆い、真空中で気泡を除去し、次にモールドを閉じます。最後に、モールドを PDMS に沈め、再び真空中に置きます。 30 分間、残っている可能性のある泡を取り除きます。型と PDMS を室温 (25 °C) で 1 週間放置し、ゆっくりと硬化した PDMS ベースの構造を型から注意深く取り外しました。最終的な構造を形作るために、PDMS ベースの構造を同じ材料のシートの表面に接着し、最後にチューブの一部をチャネルに接続してデバイスを動作させました。

前述したように、ABAQUS 6.12 は、マイクログリッパーの油圧作動をシミュレートするための 3D モデルを構築するために使用されました。このモデルは 376,938 個の四面体要素を使用し、10 節点の修正ハイブリッド四面体要素 (ABAQUS C3D10MH) で構成されました。修正された四面体要素により、良好な収束率が得られ、体積ロックが防止されました。超弾性材料モデルは、複雑な材料の非線形応答を記述する能力が非常に高かった。実験のデータを当てはめて分析した結果、PDMS は非圧縮性で等方性の Gent モデルとしてモデル化され、収束性と解の安定性が満足されました。等方性条件の Gent モデルが適用され、研究対象の PDMS 材料の材料特性は \(\mu = 0.4\; \text{MPa}\) および \(J_{m} = 5.5\) でした。

特性評価、マイクログリッパーの開閉、および「たわみ-注入容積」曲線の達成のために、マイクログリッパーを光学顕微鏡の下に置き、マイクロリットルの精密シリンジに接続しました。この研究で使用されたマイクロリットルシリンジは、Hamilton によって製造されました。適切な量の注入は、これらのマイクロシリンジを使用して手動で実行されました。キャビティ内の注入量を変更し、顕微鏡下で指のたわみを測定することによって、特性評価が正常に実行され、たわみと注入量の曲線が得られました。

AE-800 マイクロフォースセンサーは、マイクログリッパーのフィンガーによって生成される力を測定するために使用されるカンチレバーのようなピエゾ抵抗センサーです。センサー上に指を適切に配置するために、プロセス全体が光学式立体視下で実行されました。

このプロジェクトではアリが生体標本として選ばれ、図 11 に示すように掴まれてうまく操作されました。この目的のために、アリは氷嚢の上に置かれ、低温のために停止されました。これで虫を捕まえやすくなりました。生体標本の取得は、ニコン製ステレオスコープの下で実行されました。アリを掴んだ後、アリは温められるようにして氷嚢から離れ、再び動き始めました。動く昆虫を1分間保持した後、放しましたが、怪我は観察されませんでした。

開発したマイクログリッパーがさまざまな重量やサイズの物体をつかんで持ち上げる能力を確認するために、はんだ線の先端を溶かしてさまざまな直径のボールを準備しました。ボールに取り付けられたワイヤーの長さによって、オブジェクトの全体の重量が調整されていました。次に、ボールをつかんで垂直に持ち上げ、グリッパーが持ち上げることができる最大重量を直径ごとに測定しました。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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シーナ・バグバーニ・コードマハレ & 亀岡潤

テキサス A&M 大学機械工学科、カレッジステーション、テキサス州、米国

ジャン・クー & アナスタシア・ムリアナ

早稲田大学大学院情報生産システム研究科（北九州市）

亀岡淳

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JK と SBK は、マイクログリッパーを搭載するというアイデアを思いつきました。 SBK はマイクログリッパーを設計および開発し、製造プロトコルを確立し、特性評価を実行し、原稿の初稿を準備しました。 JQ は、シミュレーションと将来の形状工学のための有限要素モデルを開発し、シミュレーションを実行し、シミュレーションの最初のドラフトを作成しました。 JK と AM は研究を監督し、すべての情報を検証し、原稿を修正しました。著者全員が原稿を共同執筆しました。

亀岡淳さんとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Baghbani Kordmahale, S.、Qu, J.、Muliana, A. 他生物学研究用の油圧式ソフトマイクログリッパー。 Sci Rep 12、21403 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25713-1

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受信日: 2021 年 9 月 12 日

受理日: 2022 年 12 月 5 日

公開日: 2022 年 12 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25713-1

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