Forskere 3D-printer en kompleks robothånd med knogler, sener og ledbånd

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Scientists 3D Print a Complex Robotic Hand With Bones, Tendons, and Ligaments PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Vi tænker ikke to gange på at bruge vores hænder i løbet af dagen til opgaver, der stadig forhindrer sofistikerede robotter – at hælde kaffe uden at spilde, når det er halvvågent, folde vasketøj uden at rive sarte stoffer i stykker.

Kompleksiteten af vores hænder er til dels at takke. De er vidundere inden for biologisk ingeniørkunst: Hårdt skelet bevarer deres form og integritet og lader fingrene bære vægt. Blødt væv, såsom muskler og ledbånd, giver dem fingerfærdighed. Takket være evolutionen samler alle disse "biomaterialer" sig selv.

At genskabe dem kunstigt er en anden sag.

Forskere har forsøgt at bruge additiv fremstilling - bedre kendt som 3D udskrivning-at genskabe komplekse strukturer fra hænder til hjerter. Men teknologien snubler, når flere materialer integreres i én trykproces. 3D-printning af en robothånd kræver for eksempel flere printere – én til at lave skelettet, en anden til bløddelsmaterialer – og samling af dele. Disse flere trin øger fremstillingstiden og kompleksiteten.

Forskere har længe søgt at kombinere forskellige materialer i en enkelt 3D-printproces. Et team fra soft robotics lab på ETH Zürich har fundet en måde.

Holdet udstyrede en 3D-inkjetprinter – som er baseret på den samme teknologi i normale kontorprintere – med maskinsyn, så den hurtigt kan tilpasse sig forskellige materialer. Fremgangsmåden, kaldet vision-controlled jetting, indsamler løbende information om en strukturs form under udskrivning for at finjustere, hvordan den udskriver det næste lag, uanset typen af materiale.

I en test printede teamet 3D en syntetisk hånd på én gang. Komplet med skelet, ledbånd og sener, kan hånden tage fat i forskellige genstande, når den "føler" tryk ved fingerspidserne.

De 3D-printede også en struktur som et menneskeligt hjerte, komplet med kamre, envejsventiler og evnen til at pumpe væske med en hastighed på omkring 40 procent af et voksent menneskes hjerte.

Undersøgelsen er "meget imponerende," Dr. Yong Lin Kong ved University of Utah, som ikke var involveret i arbejdet, men skrev en tilhørende kommentar, Fortalte Natur. 3D inkjet print er allerede en moden teknologi, tilføjede han, men denne undersøgelse viser, at maskinsyn gør det muligt at udvide teknologiens muligheder til mere komplekse strukturer og flere materialer.

Problemet med 3D Inkjet Printing

Genskabelse af en struktur ved hjælp af konventionelle metoder er kedeligt og udsat for fejl. Ingeniører støber en form for at danne den ønskede form - for eksempel skelettet af en hånd - og kombinerer derefter den oprindelige struktur med andre materialer.

Det er en åndssvag proces, der kræver omhyggelig kalibrering. Ligesom at installere en skabslåge, vil eventuelle fejl efterlade den skæv. For noget så komplekst som en robothånd kan resultaterne være ret Frankenstein.

Traditionelle metoder gør det også svært at inkorporere materialer med forskellige egenskaber, og de har en tendens til at mangle de fine detaljer, der kræves i noget så komplekst som en syntetisk hånd. Alle disse begrænsninger, hvad en robothånd – og andre funktionelle strukturer – kan gøre.

Så kom 3D inkjet-printning. Almindelige versioner af disse printere presser et flydende harpiksmateriale gennem hundredtusindvis af individuelt kontrollerede dyser - som en kontorprinter, der udskriver et foto i høj opløsning. Når først et lag er udskrevet, "sætter" et UV-lys harpiksen og forvandler den fra flydende til fast. Så går printeren i gang med det næste lag. På denne måde bygger printeren et 3D-objekt lag for lag på mikroskopisk niveau.

Selvom den er utrolig hurtig og præcis, har teknologien sine problemer. Den er f.eks. ikke god til at binde forskellige materialer sammen. For at 3D-printe en funktionel robot skal ingeniører enten printe dele med flere printere og derefter samle dem efter, eller de kan printe en indledende struktur, støbe rundt om delen og tilføje yderligere typer materialer med ønskede egenskaber.

En væsentlig ulempe er, at tykkelsen af hvert lag ikke altid er den samme. Forskelle i hastigheden af "blæk", interferens mellem dyser og krympning under "indstilling"-processen kan alle forårsage små forskelle. Men disse uoverensstemmelser tilføjer flere lag, hvilket resulterer i funktionsfejl på objekter og udskrivningsfejl.

Ingeniører tackler dette problem ved at tilføje et blad eller en rulle. Ligesom at udjævne nylagt beton under vejarbejde, udjævner dette trin hvert lag, før det næste starter. Løsningen kommer desværre med anden hovedpine. Fordi valserne kun er kompatible med nogle materialer - andre har skrabet skraberen op - begrænser de rækken af materialer, der kan bruges.

Hvad hvis vi slet ikke har brug for dette trin?

Øjne på prisen

Teamets løsning er maskinsyn. I stedet for at skrabe ekstra materiale væk, hjælper scanning af hvert lag, mens det udskriver, systemet med at opdage og kompensere for små fejl i realtid.

Machine vision-systemet bruger fire kameraer og to lasere til at scanne hele printoverfladen i mikroskopisk opløsning.

Denne proces hjælper printeren med at rette sig selv, forklarede teamet. Ved at forstå, hvor der er for meget eller for lidt materiale, kan printeren ændre mængden af blæk, der aflejres i det næste lag, og i det væsentlige udfylde tidligere "huller". Resultatet er et kraftfuldt 3D-printsystem, hvor ekstra materiale ikke skal skrabes af.

Det er ikke første gang, maskinsyn er blevet brugt i 3D-printere. Men det nye system kan scanne 660 gange hurtigere end ældre, og det kan analysere den voksende strukturs fysiske form på mindre end et sekund, skrev Kong. Dette giver 3D-printeren mulighed for at få adgang til et meget større bibliotek af materialer, inklusive stoffer, der understøtter komplekse strukturer under udskrivning, men som fjernes senere.

Oversættelse? Systemet kan printe en ny generation af bio-inspirerede robotter langt hurtigere end nogen tidligere teknologi.

Som en test printede holdet en syntetisk hånd med to typer materialer: et stift, bærende materiale til at fungere som et skelet og et blødt bøjeligt materiale til at lave sener og ledbånd. De printede kanaler gennem hele hånden for at kontrollere dens bevægelse med lufttryk og integrerede samtidig en membran til at føle berøring - i det væsentlige fingerspidserne.

De hægtede hånden på eksterne elektriske komponenter og integrerede den i en lille gårobot. Takket være dens trykfølende fingerspidser kunne den opfange forskellige genstande - en kuglepen eller en tom plastikvandflaske.

Systemet trykte også en menneskelignende hjertestruktur med flere kamre. Når det syntetiske hjerte sattes under tryk, pumpede det væsker som dets biologiske modstykke.

Alt blev printet på én gang.

Næste trin

Resultaterne er fascinerende, fordi de føles som et gennembrud for en teknologi, der allerede er i en moden tilstand, Kong sagde. Selvom det har været kommercielt tilgængeligt i årtier, giver det blot ved at tilføje maskinsyn teknologien nyt liv.

"Spændende nok blev disse forskellige eksempler trykt med kun få materialer," tilføjede han. Holdet sigter mod at udvide de materialer, de kan printe med, og direkte tilføje elektroniske sensorer til sansning og bevægelse under udskrivning. Systemet kunne også inkorporere andre fremstillingsmetoder - for eksempel sprøjtning af et lag af biologisk aktive molekyler til overfladen af hænderne.

Robert Katzschmann, professor ved ETH Zürich og forfatter til det nye papir, er optimistisk med hensyn til systemets bredere anvendelse. "Du kunne tænke på medicinske implantater ... [eller] bruge dette til prototyping af ting i vævsteknologi," sagde han. "Teknologien i sig selv vil kun vokse."

Billedkredit: ETH Zürich/Thomas Buchner