Des scientifiques impriment en 3D une main robotique complexe avec des os, des tendons et des ligaments

Des scientifiques impriment en 3D une main robotique complexe avec des os, des tendons et des ligaments

Horodatage: 24 novembre 2023, 10 h 00
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Nous n'hésitons pas à utiliser nos mains tout au long de la journée pour des tâches qui contrecarrent encore les robots sophistiqués : verser du café sans en renverser à moitié éveillé, plier le linge sans déchirer les tissus délicats.

La complexité de nos mains est en partie due à cela. Ce sont des merveilles du génie biologique : leur squelette dur conserve leur forme et leur intégrité et permet aux doigts de supporter le poids. Les tissus mous, comme les muscles et les ligaments, leur confèrent de la dextérité. Grâce à l’évolution, tous ces « biomatériaux » s’auto-assemblent.

Les recréer artificiellement est une autre affaire.

Les scientifiques ont essayé d'utiliser la fabrication additive, mieux connue sous le nom de Impression 3D-pour recréer des structures complexes des mains aux cœurs. Mais la technologie trébuche lorsqu’il s’agit d’intégrer plusieurs matériaux dans un seul processus d’impression. L'impression 3D d'une main robotique, par exemple, nécessite plusieurs imprimantes (une pour fabriquer le squelette, une autre pour les tissus mous) et l'assemblage des pièces. Ces multiples étapes augmentent le temps et la complexité de fabrication.

Les scientifiques cherchent depuis longtemps à combiner différents matériaux en un seul processus d’impression 3D. Une équipe du laboratoire de robotique douce de l'ETH Zurich a trouvé un moyen.

L'équipe a équipé une imprimante à jet d'encre 3D, basée sur la même technologie que les imprimantes de bureau normales, d'une vision industrielle, lui permettant de s'adapter rapidement à différents matériaux. L'approche, appelée jet contrôlé par vision, collecte en continu des informations sur la forme d'une structure pendant l'impression afin d'affiner la façon dont elle imprime la couche suivante, quel que soit le type de matériau.

Lors d’un test, l’équipe a imprimé en 3D une main synthétique en une seule fois. Dotée de squelette, de ligaments et de tendons, la main peut saisir différents objets lorsqu'elle « sent » une pression au bout de ses doigts.

Ils ont également imprimé en 3D une structure semblable à un cœur humain, dotée de chambres, de valves unidirectionnelles et de la capacité de pomper du liquide à un débit d'environ 40 % de celui d'un cœur humain adulte.

L'étude est "très impressionnante", a déclaré le Dr Yong Lin Kong de l'Université de l'Utah, qui n'a pas participé aux travaux mais a écrit un commentaire d'accompagnement, A déclaré Nature. L'impression à jet d'encre 3D est déjà une technologie mature, a-t-il ajouté, mais cette étude montre que la vision industrielle permet d'étendre les capacités de la technologie à des structures plus complexes et à des matériaux multiples.

Le problème de l'impression jet d'encre 3D

Recréer une structure à l'aide de méthodes conventionnelles est fastidieux et sujet aux erreurs. Les ingénieurs coulent un moule pour former la forme souhaitée, par exemple le squelette d'une main, puis combinent la structure initiale avec d'autres matériaux.

Il s’agit d’un processus abrutissant qui nécessite un calibrage minutieux. Comme pour l’installation d’une porte d’armoire, toute erreur la laisse déséquilibrée. Pour quelque chose d’aussi complexe qu’une main de robot, les résultats peuvent être plutôt Frankenstein.

Les méthodes traditionnelles rendent également difficile l’incorporation de matériaux aux propriétés différentes, et elles ont tendance à manquer des détails fins requis dans quelque chose d’aussi complexe qu’une main synthétique. Toutes ces limitations rotulent ce qu'une main robotique – et d'autres structures fonctionnelles – peut faire.

Puis l’impression jet d’encre 3D est arrivée. Les versions courantes de ces imprimantes pressent un matériau en résine liquide à travers des centaines de milliers de buses contrôlées individuellement, comme une imprimante de bureau imprimant une photo en haute résolution. Une fois la couche imprimée, une lumière UV « fixe » la résine, la transformant de liquide en solide. L’imprimante se met ensuite au travail sur la couche suivante. De cette façon, l’imprimante construit un objet 3D, couche par couche, au niveau microscopique.

Bien qu’incroyablement rapide et précise, cette technologie a ses problèmes. Ce n'est pas génial pour lier différents matériaux ensemble, par exemple. Pour imprimer en 3D un robot fonctionnel, les ingénieurs doivent soit imprimer des pièces avec plusieurs imprimantes, puis les assembler ensuite, soit imprimer une structure initiale, couler autour de la pièce et ajouter des types supplémentaires de matériaux avec les propriétés souhaitées.

L’un des principaux inconvénients est que l’épaisseur de chaque couche n’est pas toujours la même. Les différences de vitesse de « l’encre », les interférences entre les buses et le retrait pendant le processus de « prise » peuvent tous entraîner de minuscules différences. Mais ces incohérences s’additionnent en couches supplémentaires, entraînant des dysfonctionnements des objets et des échecs d’impression.

Les ingénieurs résolvent ce problème en ajoutant une lame ou un rouleau. Tout comme l'aplatissement du béton nouvellement posé lors de travaux routiers, cette étape nivelle chaque couche avant le début de la suivante. Malheureusement, la solution s’accompagne d’autres maux de tête. Étant donné que les rouleaux ne sont compatibles qu'avec certains matériaux (d'autres encrassent le grattoir), ils limitent la gamme de matériaux pouvant être utilisés.

Et si nous n’avions pas du tout besoin de cette étape ?

Eyes on the Prize

La solution de l’équipe est la vision industrielle. Plutôt que de gratter du matériel supplémentaire, la numérisation de chaque couche au fur et à mesure de son impression aide le système à détecter et à compenser les petites erreurs en temps réel.

Le système de vision industrielle utilise quatre caméras et deux lasers pour numériser toute la surface d'impression à une résolution microscopique.

Ce processus aide l'imprimante à s'auto-corriger, a expliqué l'équipe. En comprenant où il y a trop ou pas assez de matière, l'imprimante peut modifier la quantité d'encre déposée dans la couche suivante, comblant ainsi les « nids-de-poule » précédents. Le résultat est un système d’impression 3D puissant dans lequel aucun matériau supplémentaire n’a besoin d’être gratté.

Ce n’est pas la première fois que la vision industrielle est utilisée dans les imprimantes 3D. Mais le nouveau système peut scanner 660 fois plus vite que les anciens, et il peut analyser la forme physique de la structure en croissance en moins d'une seconde, a écrit Kong. Cela permet à l’imprimante 3D d’accéder à une bibliothèque de matériaux beaucoup plus grande, y compris des substances qui supportent des structures complexes lors de l’impression mais qui sont supprimées ultérieurement.

Traduction? Le système peut imprimer une nouvelle génération de robots bio-inspirés bien plus rapidement que n’importe quelle technologie précédente.

À titre de test, l'équipe a imprimé une main synthétique avec deux types de matériaux : un matériau rigide et porteur pour agir comme un squelette et un matériau souple et pliable pour fabriquer des tendons et des ligaments. Ils ont imprimé des canaux dans toute la main pour contrôler son mouvement avec la pression de l'air et ont en même temps intégré une membrane pour détecter le toucher, essentiellement le bout des doigts.

Ils ont accroché la main à des composants électriques externes et l'ont intégrée dans un petit robot ambulant. Grâce à ses doigts sensibles à la pression, il pouvait ramasser différents objets : un stylo ou une bouteille d'eau en plastique vide.

Le système a également imprimé une structure cardiaque de type humain avec plusieurs cavités. En mettant sous pression le cœur synthétique, celui-ci pompait des fluides comme son homologue biologique.

Tout a été imprimé en une seule fois.

Prochaines étapes

Les résultats sont fascinants car ils semblent constituer une percée pour une technologie déjà parvenue à maturité, Kong a affirmé Valérie Plante.. Bien que disponible dans le commerce depuis des décennies, le simple ajout de la vision industrielle donne une nouvelle vie à la technologie.

« Il est intéressant de noter que ces divers exemples ont été imprimés en utilisant seulement quelques matériaux », a-t-il ajouté. L’équipe vise à étendre les matériaux avec lesquels elle peut imprimer et à ajouter directement des capteurs électroniques pour la détection et le mouvement pendant l’impression. Le système pourrait également intégrer d’autres méthodes de fabrication, par exemple la pulvérisation d’une couche de molécules biologiquement actives sur la surface des mains.

Robert Katzschmann, professeur à l'ETH Zurich et auteur du nouvel article, est optimiste quant à une utilisation plus large du système. « Vous pourriez penser aux implants médicaux… [ou] les utiliser pour prototyper des éléments en ingénierie tissulaire », a-t-il déclaré. "La technologie elle-même ne fera que croître."

Crédit d’image : ETH Zurich/Thomas Buchner

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