Een ‘zachte’ micro-actuator voor de OK en de diepzee (video)

Het manipuleren van delicate weefsels zoals bloedvaten gedurende tijdens moeilijke operaties of het vastgrijpen van fragiele organismen in de diepzee is een uitdaging voor zowel chirurgen als onderzoekers. Robotexperts hebben zich op dit probleem gestort en zachte micro-actuatoren ontwikkeld. Door gebruik te maken van elastische materialen en door de uitzetting of inkrimping van ingebedde actieve componenten, kan hun vorm veranderen om objecten voorzichtig te hanteren zonder ze te beschadigen. Maar de gangbare beperken nog de bewegingsvrijheid en de kracht die ze kunnen uitoefenen voor het doel waar chirurgen en onderzoekers ze voor willen gebruiken.

Problemen

De problemen zijn vooral de grootte en de mogelijke bewegingen stelt promovenda Nina Sinatra. Zij werkt aan het Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en de Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Onder leiding van Robert Wood, en Kevin Kit Parker werkt onder andere Sinatra aan een nieuwe type zachte micro-actuator. De nieuwe actuator wordt opgebouwd uit eenvoudige vormen en geometrieën om tot een grotere taaiheid te komen en verschillende buig- en buigrotatiebewegingen mogelijk te maken.

Zachte lithografie

Dat is gelukt door twee verschillende productiemethodes toe te passen en materialen. Allereerst is met zachte lithografie de elastische component van de microactuator gemaakt: een dunne, langgerekte vorm met een rechthoekige doorsnede in polydimethylsiloxaan (PDMS). Zachte lithografie is een gelaagde productietechniek die wordt toegepast om microstructuren te maken van zachte elastomeren. Door de micro-actuator laag voor laag te vervaardigen kan aan één zijde een hol kanaal worden gemaakt, die in het afgewerkte ontwerp onder druk kan worden gezet met lucht of vloeistof om de bewegingen van de micro-actuator te activeren.

RJS

Voor de nanovezelcomponent van de microactuator maakte het team gebruik van een eerder door Parker’s groep ontwikkelde roterende jetspintechniek (RJS) om van biologische materialen nanovezels te maken. Bij RJS extrudeert een roterende straalpijp een oplossing van eiwitten of polymeren die stollen als dunne nanofibers. Voor de micro-actuator zijn synthetische polymeren als nylon en polyurethaan gebruikt. De geëxtrudeerde nanovezels zijn tot een weefsel samengesteld, aan de tegenovergestelde kant van het kanaal in de zachte PDMS-component. Als het kanaal onder druk staat, versterkt het nanoweefsel één zijde van de actuator en zorgt voor een preferente buigrichting.

Bewegingen programmeren

De micro-actuatoren blijken 2,3 keer steviger dan micro-actuatoren gemaakt van PDMS alleen en kunnen een bijna 26% hoger druk. "Door de oriëntatie van de nanovezel en de insnijding van schuine patronen te variëren, konden we buigbewegingen programmeren", aldus Sinatra. "Dit nieuwe prototype zachte micro-actuatoren is een geweldig uitgangspunt voor echte toepassingen. Door de koppeling van dit nieuwe actuatorontwerp met andere gereedschappen, kan micromanipulatie van fragiele objecten in uitdagende omgevingen worden vergemakkelijkt", aldus Wood.