Teadlased prindivad 3D-ks keeruka robotkäe koos luude, kõõluste ja sidemetega

Me ei mõtle kaks korda selle peale, kas kasutame terve päeva oma käsi toiminguteks, mis ikka veel keerulisi roboteid takistavad – pooleldi ärkvel olles kohvi kallamine ilma, et see maha loksuks, pesu kokku voltimine õrna kangast rebimata.

Meie käte keerukus on osaliselt tänu sellele. Need on bioloogilise tehnika imed: kõva skelett säilitab kuju ja terviklikkuse ning laseb sõrmedel kanda raskust. Pehmed koed, nagu lihased ja sidemed, annavad neile osavuse. Tänu evolutsioonile kogunevad kõik need "biomaterjalid" ise.

Nende kunstlik taasloomine on teine ​​teema.

Teadlased on püüdnud kasutada lisaainete tootmist – paremini tuntud kui 3D trükkimine— taasluua keerulisi struktuure kätest südameteni. Kuid tehnoloogia komistab mitme materjali integreerimisel ühte printimisprotsessi. Näiteks robotkäe 3D-printimiseks on vaja mitut printerit – ühte luustiku valmistamiseks, teist pehmete kudede materjalide jaoks – ja osade kokkupanekut. Need mitmed etapid suurendavad tootmise aega ja keerukust.

Teadlased on pikka aega püüdnud kombineerida erinevaid materjale üheks 3D-printimise protsessiks. ETH Zürichi pehme robootikalabori meeskond on leidnud tee.

Meeskond varustas 3D-tindiprinteri, mis põhineb tavalistes kontoriprinterites samal tehnoloogial, masinnägemisega, võimaldades sellel kiiresti kohaneda erinevate materjalidega. Lähenemisviis, mida nimetatakse nägemiskontrolliga pihustamiseks, kogub printimise ajal pidevalt teavet struktuuri kuju kohta, et täpsustada, kuidas see järgmise kihi prindib, olenemata materjali tüübist.

Testis printis meeskond 3D ühe korraga sünteetilise käe. Koos luustiku, sidemete ja kõõlustega saab käsi haarata erinevatest esemetest, kui see "tunneb" sõrmeotstes survet.

Samuti printisid nad 3D-s inimsüdame sarnase struktuuri, millel on kambrid, ühesuunalised ventiilid ja võime pumbata vedelikku kiirusega ligikaudu 40 protsenti täiskasvanud inimese südamest.

Uuring on "väga muljetavaldav," ütles dr Yong Lin Kong Utah' ülikoolist, kes ei osalenud töös, kuid kirjutas kaasasoleva kommentaari, rääkis loodus. Ta lisas, et 3D-tindiprintimine on juba küps tehnoloogia, kuid see uuring näitab, et masinnägemine võimaldab laiendada tehnoloogia võimalusi keerukamatele struktuuridele ja mitmele materjalile.

Probleem 3D-tindiprintimisega

Struktuuri taasloomine tavapäraste meetoditega on tüütu ja veatundlik. Insenerid valavad vormi, et moodustada soovitud kuju – näiteks käe skelett – ja seejärel kombineerida algne struktuur teiste materjalidega.

See on meeletu protsess, mis nõuab hoolikat kalibreerimist. Nagu kapiukse paigaldamisel, jätavad kõik vead selle viltu. Nii keerulise asja puhul nagu robotkäsi, võib tulemus olla pigem Frankenstein.

Traditsioonilised meetodid raskendavad ka erinevate omadustega materjalide ühendamist ja neil kipuvad puuduma peened detailid, mida on vaja nii keerulises asjas nagu sünteetiline käsi. Kõik need piirangud piiravad seda, mida robotkäsi ja muud funktsionaalsed struktuurid suudavad.

Siis tuli 3D-tindiprintimine. Nende printerite tavalised versioonid pigistavad vedelat vaigust läbi sadade tuhandete eraldi juhitavate düüside – nagu kontoriprinter, mis prindib suure eraldusvõimega fotot. Kui kiht on trükitud, seab UV-valgus vaigu, muutes selle vedelast tahkeks. Seejärel hakkab printer järgmise kihiga tööle. Nii ehitab printer 3D-objekti kihthaaval mikroskoopilisel tasemel.

Kuigi see on uskumatult kiire ja täpne, on sellel tehnoloogial oma probleemid. Näiteks ei ole see suurepärane erinevate materjalide sidumiseks. Funktsionaalse roboti 3D-printimiseks peavad insenerid printima osad mitme printeriga ja seejärel need kokku panema või võivad nad printida esialgse struktuuri, valada osa ümber ja lisada soovitud omadustega täiendavaid materjale.

Üks peamisi puudusi on see, et iga kihi paksus ei ole alati sama. Tindi kiiruse erinevused, düüside vahelised häired ja kokkutõmbumine seadistamise ajal võivad kõik põhjustada väikseid erinevusi. Kuid need ebakõlad tekitavad rohkem kihte, mille tulemuseks on objektide talitlushäired ja printimistõrge.

Insenerid lahendavad selle probleemi tera või rulli lisamisega. Nagu äsja laotud betooni tasandamine teetööde ajal, ühtlustab see samm iga kihi enne järgmise algust. Lahenduseks on kahjuks muud peavalud. Kuna rullid ühilduvad ainult mõne materjaliga (teised on kaabitsa üles tõmmatud), piiravad need kasutatavate materjalide valikut.

Mis siis, kui me seda sammu üldse ei vaja?

Silmad auhinnal

Meeskonna lahendus on masinnägemine. Selle asemel, et ekstra materjali ära kraapida, aitab iga kihi skannimine printimise ajal süsteemil tuvastada ja kompenseerida väikesed vead reaalajas.

Masinnägemissüsteem kasutab nelja kaamerat ja kahte laserit, et skaneerida kogu trükipinda mikroskoopilise eraldusvõimega.

See protsess aitab printeril ennast parandada, selgitas meeskond. Mõistes, kus on liiga palju või liiga vähe materjali, saab printer muuta järgmisse kihti ladestunud tindi kogust, täites sisuliselt eelmised "augud". Tulemuseks on võimas 3D-printimise süsteem, milles lisamaterjali pole vaja maha kraapida.

See pole esimene kord, kui masinnägemist 3D-printerites kasutatakse. Kuid uus süsteem suudab skaneerida 660 korda kiiremini kui vanemad ja suudab analüüsida kasvava struktuuri füüsilist vormi vähem kui sekundiga, kirjutas Kong. See võimaldab 3D-printeril juurdepääsu palju suuremale materjalide raamatukogule, sealhulgas ainetele, mis toetavad printimise ajal keerulisi struktuure, kuid eemaldatakse hiljem.

Tõlge? Süsteem suudab printida uue põlvkonna bioinspireeritud roboteid palju kiiremini kui mis tahes varasemad tehnoloogiad.

Testiks trükkis meeskond sünteetilise käe kahte tüüpi materjalidega: jäigast, kandvast materjalist, mis toimib luustikuna, ja pehmest painutavast materjalist kõõluste ja sidemete valmistamiseks. Nad trükkisid kogu käele kanalid, et juhtida selle liikumist õhurõhuga, ja integreerisid samal ajal membraani, et tajuda puudutust – põhiliselt sõrmeotsi.

Nad kinnitasid käe väliste elektrikomponentide külge ja integreerisid selle väikesesse kõndimisrobotisse. Tänu oma survetundlikele sõrmeotstele suudab see üles korjata erinevaid esemeid – pliiatsi või tühja plastikust veepudelit.

Süsteem trükkis ka mitme kambriga inimesesarnase südamestruktuuri. Sünteetilisele südamele survestades pumpas see vedelikke nagu tema bioloogiline vaste.

Kõik trükiti ühe korraga.

Järgmised sammud

Tulemused on põnevad, sest need tunduvad läbimurdena tehnoloogia jaoks, mis on juba küpses seisus, Kong ütles. Kuigi müügil on aastakümneid, annab ainuüksi masinnägemise lisamine tehnoloogiale uue elu.

"Põnev on see, et need erinevad näited trükiti vaid mõne materjali abil," lisas ta. Meeskonna eesmärk on laiendada materjale, millega nad saavad printida, ja lisada otse elektroonilisi andureid printimise ajal tuvastamiseks ja liikumiseks. Süsteem võib hõlmata ka muid valmistamismeetodeid, näiteks pihustada käte pinnale bioloogiliselt aktiivsete molekulide kiht.

Robert Katzschmann, ETH Zürichi professor ja uue dokumendi autor, on süsteemi laiema kasutuse suhtes optimistlik. "Võiks mõelda meditsiinilistele implantaatidele... [või] kasutada seda koetehnoloogia asjade prototüüpimiseks," ütles ta. "Tehnoloogia ise ainult kasvab."

Pildi krediit: ETH Zurich / Thomas Buchner

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/