Scientists 3D Print A Complex Robotic Hand With Bones, Tendons, And Ligaments

Újra kiadta Platón

Követő: 0

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

Kétszer sem gondolunk arra, hogy egész nap használjuk-e a kezünket olyan feladatok elvégzésére, amelyek még mindig akadályozzák a kifinomult robotokat – félig ébren kávét kell önteni anélkül, hogy kifolyna, vagy a ruhaneműt összehajtogatnunk a kényes anyagok szétszakítása nélkül.

Kezünk összetettsége részben köszönhető. A biológiai tervezés csodái: a kemény csontváz megőrzi alakját és épségét, és lehetővé teszi az ujjak súlyának viselését. A lágy szövetek, például az izmok és a szalagok kézügyességet adnak nekik. Az evolúciónak köszönhetően ezek a „bioanyagok” önmagukban is összeállnak.

Ezek mesterséges újrateremtése más kérdés.

A tudósok megpróbálták alkalmazni az additív gyártást – ismertebb nevén 3D nyomtatás— összetett struktúrák újraalkotása a kéztől a szívig. De a technológia megbotlik, ha több anyagot integrálnak egy nyomtatási folyamatba. Egy robotkéz 3D-s nyomtatásához például több nyomtatóra van szükség – az egyik a csontváz elkészítéséhez, a másik a lágyszövetek készítéséhez – és az alkatrészek összeszerelése. Ez a több lépés növeli a gyártás idejét és bonyolultságát.

A tudósok régóta törekedtek arra, hogy a különböző anyagokat egyetlen 3D nyomtatási eljárásban egyesítsék. Egy csapat az ETH Zürich puha robotikai laborjából megtalálta a módját.

A csapat egy 3D tintasugaras nyomtatót – amely a normál irodai nyomtatókban ugyanazon a technológián alapul – gépi látással szerelt fel, lehetővé téve, hogy gyorsan alkalmazkodjon a különböző anyagokhoz. A látásvezérelt jettingnek nevezett megközelítés a nyomtatás során folyamatosan információkat gyűjt a szerkezet alakjáról, hogy finomhangolja a következő réteg nyomtatási módját, függetlenül az anyag típusától.

Egy teszt során a csapat 3D-ben szintetikus kezet nyomtatott egy mozdulattal. A csontvázzal, szalagokkal és inakkal kiegészítve a kéz különböző tárgyakat képes megragadni, ha nyomást „érz” az ujjbegyében.

Emellett 3D-ben nyomtattak egy emberi szívhez hasonló szerkezetet, kamrákkal, egyirányú szelepekkel, és azzal a képességgel, hogy egy felnőtt ember szívének nagyjából 40 százalékával szivattyúzzák a folyadékot.

A tanulmány „nagyon lenyűgöző”, Dr. Yong Lin Kong a Utah-i Egyetemen, aki nem vett részt a munkában, de írt hozzá egy kommentárt, elmondta Természet. A 3D tintasugaras nyomtatás már kiforrott technológia, tette hozzá, de ez a tanulmány azt mutatja, hogy a gépi látás lehetővé teszi a technológia képességeinek kiterjesztését bonyolultabb szerkezetekre és többféle anyagra.

A probléma a 3D tintasugaras nyomtatással

A szerkezet hagyományos módszerekkel történő újraalkotása fáradságos és hibás. A mérnökök öntőformát öntenek, hogy kialakítsák a kívánt formát – mondjuk egy kéz csontvázát –, majd a kezdeti szerkezetet más anyagokkal kombinálják.

Ez egy elkeserítő folyamat, amely gondos kalibrálást igényel. A szekrényajtó beszereléséhez hasonlóan minden hiba ferdén hagyja azt. Egy olyan összetett dolog esetében, mint egy robotkéz, az eredmény inkább Frankenstein lehet.

A hagyományos módszerek is megnehezítik a különböző tulajdonságokkal rendelkező anyagok bedolgozását, és általában hiányoznak belőlük azok a finom részletek, amelyek egy olyan bonyolult dologhoz, mint a szintetikus kézhez szükségesek. Mindezek a korlátok lefedik azt, amire egy robotkéz – és más funkcionális szerkezetek – képesek.

Aztán jött a 3D tintasugaras nyomtatás. Ezeknek a nyomtatóknak a gyakori változatai egy folyékony gyantát préselnek ki több százezer egyedileg vezérelt fúvókán keresztül – például egy irodai nyomtató, amely nagy felbontásban nyomtat fényképeket. Amint egy réteg kinyomtatott, UV-fény „beállítja” a gyantát, és folyékonyból szilárdtá változtatja. Ezután a nyomtató hozzálát a következő réteghez. Ily módon a nyomtató 3D objektumot épít fel rétegről rétegre, mikroszkopikus szinten.

Bár hihetetlenül gyors és precíz, a technológiának megvannak a maga problémái. Nem jó például különböző anyagok összefűzésére. Egy funkcionális robot 3D-s nyomtatásához a mérnököknek vagy több nyomtatóval kell kinyomtatniuk az alkatrészeket, majd össze kell őket szerelniük, vagy kinyomtathatják a kezdeti szerkezetet, körbeönthetik az alkatrészt, és további anyagokat kell hozzáadniuk a kívánt tulajdonságokkal.

Az egyik fő hátránya, hogy az egyes rétegek vastagsága nem mindig azonos. A „tinta” sebességének különbségei, a fúvókák közötti interferencia és a „beállítási” folyamat során bekövetkező zsugorodás mind apró eltéréseket okozhat. De ezek az inkonzisztenciák több réteget eredményeznek, ami hibásan működő objektumokhoz és nyomtatási hibákhoz vezethet.

A mérnökök penge vagy henger hozzáadásával oldják meg ezt a problémát. Mint az újonnan lerakott beton simítása az útépítés során, ez a lépés minden réteget kiegyenlít a következő megkezdése előtt. A megoldás sajnos más fejfájással jár. Mivel a hengerek csak bizonyos anyagokkal kompatibilisek – másokkal felhordják a kaparót –, korlátozzák a felhasználható anyagok körét.

Mi van, ha erre a lépésre egyáltalán nincs szükségünk?

A Díj szeme

A csapat megoldása a gépi látás. A felesleges anyagok lekaparása helyett az egyes rétegek beolvasása nyomtatás közben segít a rendszernek valós időben észlelni és kompenzálni az apró hibákat.

A gépi látórendszer négy kamerát és két lézert használ a teljes nyomtatási felület mikroszkópos felbontású letapogatására.

Ez a folyamat segít a nyomtatónak az önjavításban – magyarázta a csapat. Ha megérti, hol van túl sok vagy túl kevés az anyag, a nyomtató megváltoztathatja a következő rétegben lerakódott tinta mennyiségét, lényegében kitöltve a korábbi „kátyúkat”. Az eredmény egy erőteljes 3D nyomtatási rendszer, amelyben nem kell lekaparni a felesleges anyagokat.

Nem ez az első alkalom, hogy gépi látást használnak 3D nyomtatókban. Az új rendszer azonban 660-szor gyorsabban tud szkennelni, mint a régebbiek, és kevesebb mint egy másodperc alatt képes elemezni a növekvő szerkezet fizikai alakját – írta Kong. Ez lehetővé teszi a 3D nyomtató számára, hogy sokkal nagyobb anyagtárhoz férhessen hozzá, beleértve azokat az anyagokat is, amelyek bonyolult szerkezeteket támogatnak a nyomtatás során, de később eltávolítják őket.

Fordítás? A rendszer a biológiai ihletésű robotok új generációját sokkal gyorsabban tudja nyomtatni, mint bármely korábbi technológia.

Tesztként a csapat kétféle anyagból nyomtatott egy szintetikus kezet: egy merev, teherbíró anyagból, amely vázként működik, és egy puha hajlítható anyagból inak és szalagok készítésére. Csatornákat nyomtattak az egész kézre, hogy légnyomással szabályozzák annak mozgását, és ugyanakkor integráltak egy membránt az érintés érzékelésére – lényegében az ujjbegyek.

Külső elektromos alkatrészekre akasztották a kezét, és egy kis sétálórobotba integrálták. Nyomásérzékelős ujjhegyeinek köszönhetően különféle tárgyakat – egy tollat vagy egy üres műanyag vizes palackot – képes felvenni.

A rendszer egy emberszerű szívszerkezetet is nyomtatott több kamrával. Amikor nyomás alá helyezte a szintetikus szívet, folyadékot pumpált, mint biológiai megfelelője.

Mindent egyben kinyomtattak.

Következő lépések

Az eredmények lenyűgözőek, mert áttörésnek tűnnek egy olyan technológia számára, amely már kiforrott állapotban van, Kong mondott. Bár évtizedek óta kereskedelmi forgalomban kapható, a gépi látás hozzáadásával új életet ad a technológiának.

„Izgalmas módon ezeket a változatos példákat csak néhány anyag felhasználásával nyomtatták ki” – tette hozzá. A csapat célja, hogy kibővítse a nyomtatható anyagok körét, és közvetlenül hozzáadjon elektronikus érzékelőket a nyomtatás során történő mozgás érzékeléséhez és mozgásához. A rendszer más gyártási módszereket is tartalmazhat – például biológiailag aktív molekulák bevonatát permetezheti a kéz felületére.

Robert Katzschmann, az ETH Zürich professzora és az új tanulmány szerzője optimista a rendszer szélesebb körű felhasználását illetően. „Gondolhat az orvosi implantátumokra… [vagy] használhatja ezeket prototípusok készítésére a szövettervezésben” – mondta. "Maga a technológia csak növekedni fog."

A kép forrása: ETH Zurich/Thomas Buchner