[发明专利]软体机器人的制造方法

说明书

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。

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；