Οι επιστήμονες εκτυπώνουν 3D ένα σύνθετο ρομποτικό χέρι με οστά, τένοντες και συνδέσμους

Δεν σκεφτόμαστε δύο φορές να χρησιμοποιήσουμε τα χέρια μας κατά τη διάρκεια της ημέρας για εργασίες που εξακολουθούν να εμποδίζουν τα εξελιγμένα ρομπότ - να ρίχνουμε καφέ χωρίς να χυθεί όταν είμαστε μισάξυπνοι, να διπλώνουμε τα ρούχα χωρίς να σκίζουμε ευαίσθητα υφάσματα.

Η πολυπλοκότητα των χεριών μας είναι εν μέρει για να ευχαριστήσουμε. Είναι θαύματα της βιολογικής μηχανικής: Ο σκληρός σκελετός διατηρεί το σχήμα και την ακεραιότητά του και αφήνει τα δάχτυλα να αντέχουν το βάρος. Οι μαλακοί ιστοί, όπως οι μύες και οι σύνδεσμοι, τους δίνουν επιδεξιότητα. Χάρη στην εξέλιξη, όλα αυτά τα «βιοϋλικά» αυτοσυναρμολογούνται.

Η αναδημιουργία τους τεχνητά είναι άλλο θέμα.

Οι επιστήμονες προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν την παραγωγή πρόσθετων - πιο γνωστή ως 3D εκτύπωση—να αναδημιουργήσει πολύπλοκες δομές από τα χέρια μέχρι τις καρδιές. Αλλά η τεχνολογία παραπαίει όταν ενσωματώνει πολλά υλικά σε μία διαδικασία εκτύπωσης. Η τρισδιάστατη εκτύπωση ενός ρομποτικού χεριού, για παράδειγμα, απαιτεί πολλούς εκτυπωτές —ένας για την κατασκευή του σκελετού, άλλος για υλικά μαλακών ιστών— και τη συναρμολόγηση εξαρτημάτων. Αυτά τα πολλαπλά βήματα αυξάνουν τον χρόνο κατασκευής και την πολυπλοκότητα.

Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και καιρό να συνδυάσουν διαφορετικά υλικά σε μια ενιαία διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Μια ομάδα από το εργαστήριο μαλακής ρομποτικής στο ETH Ζυρίχης βρήκε τρόπο.

Η ομάδα εξόπλισε έναν εκτυπωτή 3D inkjet —ο οποίος βασίζεται στην ίδια τεχνολογία σε κανονικούς εκτυπωτές γραφείου— με μηχανική όραση, επιτρέποντάς του να προσαρμόζεται γρήγορα σε διαφορετικά υλικά. Η προσέγγιση, που ονομάζεται όραση ελεγχόμενη εκτόξευση, συλλέγει συνεχώς πληροφορίες σχετικά με το σχήμα μιας δομής κατά την εκτύπωση για να τελειοποιήσει τον τρόπο με τον οποίο εκτυπώνει το επόμενο στρώμα, ανεξάρτητα από τον τύπο του υλικού.

Σε μια δοκιμή, η ομάδα 3D εκτύπωσε ένα συνθετικό χέρι με μία κίνηση. Ολοκληρωμένο με σκελετό, συνδέσμους και τένοντες, το χέρι μπορεί να πιάσει διαφορετικά αντικείμενα όταν «νιώθει» πίεση στα δάχτυλά του.

Εκτύπωσαν επίσης τρισδιάστατα μια δομή σαν ανθρώπινη καρδιά, πλήρης με θαλάμους, βαλβίδες μονής κατεύθυνσης και την ικανότητα να αντλεί υγρό με ρυθμό περίπου 3 τοις εκατό της καρδιάς ενός ενήλικου ανθρώπου.

Η μελέτη είναι «πολύ εντυπωσιακή», είπε ο Δρ Γιονγκ Λιν Κονγκ στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία αλλά έγραψε ένα συνοδευτικό σχόλιο, είπε στους Φύση. Η τρισδιάστατη εκτύπωση inkjet είναι ήδη μια ώριμη τεχνολογία, πρόσθεσε, αλλά αυτή η μελέτη δείχνει ότι η μηχανική όραση καθιστά δυνατή την επέκταση των δυνατοτήτων της τεχνολογίας σε πιο σύνθετες δομές και πολλαπλά υλικά.

Το πρόβλημα με την εκτύπωση 3D Inkjet

Η αναδημιουργία μιας δομής χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους είναι κουραστική και επιρρεπής σε σφάλματα. Οι μηχανικοί ρίχνουν ένα καλούπι για να σχηματίσουν το επιθυμητό σχήμα - ας πούμε, τον σκελετό ενός χεριού - και στη συνέχεια συνδυάζουν την αρχική δομή με άλλα υλικά.

Είναι μια διαδικασία που μουδιάζει το μυαλό που απαιτεί προσεκτική βαθμονόμηση. Όπως και η εγκατάσταση μιας πόρτας ντουλαπιού, τυχόν σφάλματα την αφήνουν μονόπλευρη. Για κάτι τόσο περίπλοκο όπως ένα χέρι ρομπότ, τα αποτελέσματα μπορεί να είναι μάλλον Frankenstein.

Οι παραδοσιακές μέθοδοι δυσκολεύουν επίσης την ενσωμάτωση υλικών με διαφορετικές ιδιότητες και τείνουν να μην έχουν τις λεπτές λεπτομέρειες που απαιτούνται σε κάτι τόσο περίπλοκο όπως ένα συνθετικό χέρι. Όλοι αυτοί οι περιορισμοί καλύπτουν αυτό που μπορεί να κάνει ένα ρομποτικό χέρι —και άλλες λειτουργικές δομές.

Στη συνέχεια ήρθε η τρισδιάστατη εκτύπωση inkjet. Οι συνήθεις εκδόσεις αυτών των εκτυπωτών συμπιέζουν ένα υλικό υγρής ρητίνης μέσα από εκατοντάδες χιλιάδες μεμονωμένα ελεγχόμενα ακροφύσια—όπως ένας εκτυπωτής γραφείου που εκτυπώνει μια φωτογραφία σε υψηλή ανάλυση. Μόλις τυπωθεί μια στρώση, μια λυχνία UV «πήγει» τη ρητίνη, μετατρέποντάς την από υγρή σε στερεή. Στη συνέχεια, ο εκτυπωτής αρχίζει να δουλεύει στο επόμενο επίπεδο. Με αυτόν τον τρόπο, ο εκτυπωτής δημιουργεί ένα τρισδιάστατο αντικείμενο, στρώμα προς στρώμα, σε μικροσκοπικό επίπεδο.

Αν και απίστευτα γρήγορη και ακριβής, η τεχνολογία έχει τα προβλήματά της. Δεν είναι καλό στο δέσιμο διαφορετικών υλικών μεταξύ τους, για παράδειγμα. Για την τρισδιάστατη εκτύπωση ενός λειτουργικού ρομπότ, οι μηχανικοί πρέπει είτε να εκτυπώσουν εξαρτήματα με πολλούς εκτυπωτές και στη συνέχεια να τα συναρμολογήσουν μετά, είτε μπορούν να εκτυπώσουν μια αρχική δομή, να χυθούν γύρω από το εξάρτημα και να προσθέσουν επιπλέον τύπους υλικών με τις επιθυμητές ιδιότητες.

Ένα βασικό μειονέκτημα είναι ότι το πάχος κάθε στρώσης δεν είναι πάντα το ίδιο. Οι διαφορές στην ταχύτητα του "μελανιού", οι παρεμβολές μεταξύ των ακροφυσίων και η συρρίκνωση κατά τη διαδικασία "ρύθμισης" μπορούν όλα να προκαλέσουν μικρές διαφορές. Αλλά αυτές οι ασυνέπειες αθροίζονται με περισσότερα επίπεδα, με αποτέλεσμα τη δυσλειτουργία των αντικειμένων και την αποτυχία εκτύπωσης.

Οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα προσθέτοντας μια λεπίδα ή έναν κύλινδρο. Όπως η ισοπέδωση του νεοστρωμένου σκυροδέματος κατά τη διάρκεια της οδοποιίας, αυτό το βήμα ισοπεδώνει κάθε στρώμα πριν ξεκινήσει το επόμενο. Η λύση, δυστυχώς, έρχεται με άλλους πονοκεφάλους. Επειδή οι κύλινδροι είναι συμβατοί μόνο με ορισμένα υλικά—άλλα σκουπίζουν την ξύστρα—περιορίζουν το φάσμα των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν.

Τι γίνεται αν δεν χρειαζόμαστε καθόλου αυτό το βήμα;

Τα μάτια στο βραβείο

Η λύση της ομάδας είναι η μηχανική όραση. Αντί να αφαιρέσετε επιπλέον υλικό, η σάρωση κάθε στρώματος καθώς εκτυπώνεται βοηθά το σύστημα να εντοπίσει και να αντισταθμίσει μικρά λάθη σε πραγματικό χρόνο.

Το σύστημα μηχανικής όρασης χρησιμοποιεί τέσσερις κάμερες και δύο λέιζερ για να σαρώσει ολόκληρη την επιφάνεια εκτύπωσης σε μικροσκοπική ανάλυση.

Αυτή η διαδικασία βοηθά τον εκτυπωτή να αυτοδιορθωθεί, εξήγησε η ομάδα. Κατανοώντας πού υπάρχει πολύ ή πολύ λίγο υλικό, ο εκτυπωτής μπορεί να αλλάξει την ποσότητα του μελανιού που εναποτίθεται στο επόμενο στρώμα, γεμίζοντας ουσιαστικά τις προηγούμενες «λακκούβες». Το αποτέλεσμα είναι ένα ισχυρό σύστημα 3D εκτύπωσης στο οποίο δεν χρειάζεται να αφαιρεθεί επιπλέον υλικό.

Δεν είναι η πρώτη φορά που η μηχανική όραση χρησιμοποιείται σε τρισδιάστατους εκτυπωτές. Αλλά το νέο σύστημα μπορεί να σαρώσει 3 φορές πιο γρήγορα από τα παλαιότερα και μπορεί να αναλύσει το φυσικό σχήμα της αναπτυσσόμενης δομής σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, έγραψε ο Κονγκ. Αυτό επιτρέπει στον τρισδιάστατο εκτυπωτή να έχει πρόσβαση σε μια πολύ μεγαλύτερη βιβλιοθήκη υλικών, συμπεριλαμβανομένων ουσιών που υποστηρίζουν πολύπλοκες δομές κατά την εκτύπωση αλλά αφαιρούνται αργότερα.

Μετάφραση? Το σύστημα μπορεί να εκτυπώσει μια νέα γενιά ρομπότ βιολογικής έμπνευσης πολύ πιο γρήγορα από οποιαδήποτε προηγούμενη τεχνολογία.

Ως δοκιμή, η ομάδα τύπωσε ένα συνθετικό χέρι με δύο τύπους υλικών: ένα άκαμπτο, φέρον υλικό που λειτουργεί ως σκελετός και ένα μαλακό εύκαμπτο υλικό για την κατασκευή τενόντων και συνδέσμων. Εκτύπωσαν κανάλια σε όλο το χέρι για να ελέγχουν την κίνησή του με την πίεση του αέρα και ταυτόχρονα ενσωμάτωσαν μια μεμβράνη για την αίσθηση της αφής - ουσιαστικά, τις άκρες των δακτύλων.

Έδεσαν το χέρι σε εξωτερικά ηλεκτρικά εξαρτήματα και το ενσωμάτωσαν σε ένα μικρό ρομπότ που περπατούσε. Χάρη στις άκρες των δακτύλων του που ανιχνεύουν την πίεση, μπορούσε να σηκώσει διαφορετικά αντικείμενα—ένα στυλό ή ένα άδειο πλαστικό μπουκάλι νερό.

Το σύστημα εκτύπωσε επίσης μια ανθρώπινη δομή καρδιάς με πολλαπλούς θαλάμους. Όταν πίεζε τη συνθετική καρδιά, αντλούσε υγρά όπως το βιολογικό της αντίστοιχο.

Όλα τυπώθηκαν με μια κίνηση.

Επόμενα βήματα

Τα αποτελέσματα είναι συναρπαστικά γιατί αισθάνονται σαν μια σημαντική ανακάλυψη για μια τεχνολογία που βρίσκεται ήδη σε ώριμη κατάσταση, το Kong είπε. Αν και διατίθεται στο εμπόριο εδώ και δεκαετίες, μόνο με την προσθήκη της μηχανικής όρασης δίνει στην τεχνολογία νέα ζωή.

«Είναι συναρπαστικό που αυτά τα διαφορετικά παραδείγματα τυπώθηκαν χρησιμοποιώντας λίγα μόνο υλικά», πρόσθεσε. Η ομάδα στοχεύει να επεκτείνει τα υλικά με τα οποία μπορούν να εκτυπώσουν και να προσθέσει απευθείας ηλεκτρονικούς αισθητήρες για ανίχνευση και κίνηση κατά την εκτύπωση. Το σύστημα θα μπορούσε επίσης να ενσωματώσει άλλες μεθόδους κατασκευής - για παράδειγμα, ψεκασμό ενός στρώματος βιολογικά ενεργών μορίων στην επιφάνεια των χεριών.

Ο Robert Katzschmann, καθηγητής στο ETH της Ζυρίχης και συγγραφέας της νέας εργασίας, είναι αισιόδοξος για την ευρύτερη χρήση του συστήματος. «Θα μπορούσατε να σκεφτείτε ιατρικά εμφυτεύματα…[ή] να το χρησιμοποιήσετε για να δημιουργήσετε πρωτότυπα πράγματα στη μηχανική ιστών», είπε. «Η ίδια η τεχνολογία θα αναπτυχθεί μόνο».

Πίστωση εικόνας: ETH Zurich/Thomas Buchner

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/