생물학적 연구를 위한 유압식 소프트 마이크로그리퍼

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21403(2022) 이 기사 인용

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우리는 소규모 유압식 소프트 그리퍼를 개발하고 곤충을 손상 없이 처리하는 방법을 시연했습니다. 이 그리퍼는 연질 소재 주조 기술을 사용하여 폴리디메틸실록산(PDMS)을 기반으로 제작되어 원형 멤브레인에 배치된 세 개의 손가락 모양 기둥을 형성합니다. 핑거의 길이는 1.5mm이고 직경은 각각 300μm입니다. 두 손가락 사이의 거리는 중심 간 거리 600μm입니다. 150 µm 연질 필름 형태의 멤브레인이 원통형 중공 공간 위에 구축됩니다. 내부 공간에 압력을 가하면 멤브레인이 휘어질 수 있습니다. 멤브레인을 구부리면 그리퍼의 개폐 동작이 발생하고 결과적으로 세 손가락으로 물체를 잡거나 놓을 수 있습니다. PDMS는 특성화되었으며 실험 결과는 나중에 Abaqus 소프트웨어에서 파지 동작을 시뮬레이션하는 데 사용되었습니다. 그리퍼의 변형 범위는 시뮬레이션과 실험을 통해 조사되었습니다. 시뮬레이션 결과는 실험과 일치합니다. 이 미세유체 호환 마이크로그리퍼에 대해 최대 543μN의 힘이 측정되었으며 무게가 168.4mg이고 직경이 0.5mm인 공을 들어 올릴 수 있습니다. 이 마이크로그리퍼를 사용하여 개미를 손상 없이 성공적으로 조작했습니다. 결과는 제작된 장치가 마이크로/바이오 조작자로서 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다.

지난 수십 년 동안 로봇 공학의 발전으로 수술, 생물학 연구, 소형 물체 조작 등 다양한 분야에서 새로운 그리핑 기술이 열렸습니다. 최소 침습 수술(MIS)은 환자의 외상을 최소화하고 임상 결과를 개선하기 위해 로봇 기술에 크게 의존합니다7. 때때로 MIS는 외상성 손상으로 인해 여전히 복잡성을 유발할 수 있으며 MIS의 더 많은 임상적 활용을 위해서는 외과 의사에게 더 높은 민첩성을 제공하고 청사진을 최소화하며 섬세한 그리퍼-조직 접촉을 갖기 위해 더 유연한 액추에이터가 필요합니다7,8. 또한 다양한 환경에서 다양한 크기의 생물학적 표본을 처리하려면 로봇 조작기를 사용하여 성공적으로 수행해야 합니다9. 견고한 구조를 가진 시중에서 판매되는 그리퍼의 대부분은 섬세하고 깨지기 쉬운 생물학적 물체와 샘플을 처리하는 데 적합하지 않습니다9,10.

부드럽고 깨지기 쉬운 생물학적 표본을 처리하기 위해 형상 기억 합금(SMA)11, 압전12, 정전기 MEMS13 및 다양한 소프트 액추에이터14와 같은 다양한 작동 메커니즘을 기반으로 하는 다중 그리퍼가 제안됩니다. 압전 세라믹과 박막은 로봇과 엔드 이펙터15에 사용하기에 적합한 다양한 액추에이터를 개발하기 위해 광범위하게 사용되었습니다. 압전 액츄에이터의 움직임에 대한 정밀한 제어, 높은 전력 밀도 및 빠른 응답 시간은 압전 액츄에이터16,17,18의 주요 이점입니다. 압전세라믹은 다양한 유형의 액추에이터 개발을 유도할 수 있지만 여전히 복잡한 미세 변위 전달 메커니즘이 필요하고 소형화된 액추에이터를 조립하는 것이 어렵습니다. 압전 재료 작동에 필요한 고전압은 생물 연구 및 수술 분야에서의 적용 범위를 제한할 수 있는 이 액추에이터 제품군의 또 다른 단점입니다.

SMA 액추에이터는 SMA 와이어 또는 얇은 필름을 작동 요소로 사용합니다. 이 간단한 메커니즘은 큰 힘과 스트로크를 생성할 수 있습니다21. SMA 와이어와 박막을 사용하여 다양한 액추에이터를 개발할 수 있지만 장치 크기가 밀리미터 규모22보다 작을 때 조립하는 것이 더 어렵습니다. 느린 응답과 함께 필요한 가열/냉각 시스템의 복잡성은 SMA 액추에이터23,24의 단점을 추가로 제한합니다. 적절하고 값비싼 열 제어 시스템은 필수적입니다25,26. SMA 요소에 대한 가열 요구 사항은 측면 열 손상으로 인해 열에 민감한 생체 시료 및 살아있는 조직을 조작하기 위해 이러한 액추에이터의 적용을 제한할 수 있습니다. 정전기 MEMS 액츄에이터는 주로 실리콘 미세 가공 공정을 기반으로 합니다. 잘 확립된 제조 공정으로 인해 이 액추에이터 그룹은 2D 구조로서 이상적이고 비용 효율적인 액추에이터이자 소형화를 위한 좋은 후보가 되었습니다. MEMS 액추에이터의 적절한 패키징 및 격리 문제는 이 액추에이터 제품군의 주요 단점입니다. 앞서 언급한 모든 액추에이터는 단단한 재료를 기반으로 개발되었습니다. 이 재료 특징은 깨지기 쉬운 샘플을 처리할 때의 단점이며 이를 해결하면 복잡성이 증가합니다. 이러한 액추에이터 중 어느 것도 손상 없이 생물학적 물체를 처리하는 데 만족하지 않습니다. 깨지기 쉬운 시료를 처리할 수 있도록 확장하려면 재료와 액추에이터의 적절한 조합을 기반으로 하는 새로운 수준의 그리퍼가 개발되어야 합니다.