Ilmuwan 3D Mencetak Tangan Robot Kompleks Dengan Tulang, Tendon, Dan Ligamen

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Ilmuwan 3D Mencetak Tangan Robot Kompleks Dengan Tulang, Tendon, dan Ligamen Kecerdasan Data PlatoBlockchain. Pencarian Vertikal. Ai.

Kita tidak perlu berpikir dua kali untuk menggunakan tangan kita sepanjang hari untuk tugas-tugas yang masih dapat digagalkan oleh robot canggih—menuangkan kopi tanpa tumpah ketika setengah terjaga, melipat cucian tanpa merobek kain halus.

Kerumitan tangan kita patut disyukuri. Ini adalah keajaiban rekayasa biologi: Kerangka keras menjaga bentuk dan integritasnya serta memungkinkan jari menahan beban. Jaringan lunak, seperti otot dan ligamen, memberi mereka ketangkasan. Berkat evolusi, semua “biomaterial” ini berkumpul dengan sendirinya.

Membuatnya kembali secara artifisial adalah masalah lain.

Para ilmuwan telah mencoba menggunakan manufaktur aditif—lebih dikenal sebagai 3D pencetakan—Untuk menciptakan kembali struktur kompleks dari tangan hingga hati. Namun teknologinya tersandung ketika mengintegrasikan banyak bahan ke dalam satu proses pencetakan. Pencetakan 3D dengan tangan robot, misalnya, memerlukan banyak printer—satu untuk membuat kerangka, satu lagi untuk bahan jaringan lunak—dan perakitan komponen. Berbagai langkah ini meningkatkan waktu dan kompleksitas produksi.

Para ilmuwan telah lama berupaya menggabungkan berbagai bahan ke dalam satu proses pencetakan 3D. Sebuah tim dari laboratorium robotika lunak di ETH Zurich telah menemukan jalan.

Tim tersebut melengkapi printer inkjet 3D—yang didasarkan pada teknologi yang sama dengan printer kantor biasa—dengan visi mesin, yang memungkinkannya beradaptasi dengan cepat terhadap material yang berbeda. Pendekatan ini, yang disebut pengaliran yang dikontrol penglihatan, terus mengumpulkan informasi tentang bentuk struktur selama pencetakan untuk menyempurnakan cara mencetak lapisan berikutnya, apa pun jenis bahannya.

Dalam sebuah pengujian, tim 3D mencetak tangan sintetis sekaligus. Lengkap dengan kerangka, ligamen, dan tendon, tangan dapat menggenggam berbagai objek saat “merasakan” tekanan di ujung jarinya.

Mereka juga mencetak struktur seperti jantung manusia secara 3D, lengkap dengan ruang, katup satu arah, dan kemampuan memompa cairan dengan kecepatan sekitar 40 persen jantung manusia dewasa.

Penelitian ini “sangat mengesankan,” Dr. Yong Lin Kong dari Universitas Utah, yang belum terlibat dalam penelitian ini menulis komentar yang menyertainya, Mengatakan Alam. Pencetakan inkjet 3D sudah menjadi teknologi yang matang, tambahnya, namun penelitian ini menunjukkan visi mesin memungkinkan untuk memperluas kemampuan teknologi ke struktur yang lebih kompleks dan banyak material.

Masalah Dengan Pencetakan Inkjet 3D

Membuat ulang struktur menggunakan metode konvensional membosankan dan rawan kesalahan. Para insinyur membuat cetakan untuk membentuk bentuk yang diinginkan—misalnya, kerangka tangan—lalu menggabungkan struktur awal dengan bahan lain.

Ini adalah proses yang mematikan pikiran dan memerlukan kalibrasi yang cermat. Ibarat memasang pintu lemari, kesalahan apa pun akan membuatnya miring. Untuk sesuatu yang rumit seperti tangan robot, hasilnya bisa jadi seperti Frankenstein.

Metode tradisional juga mempersulit penggabungan material dengan sifat berbeda, dan cenderung kurang memiliki detail halus yang dibutuhkan dalam sesuatu yang rumit seperti tangan sintetis. Semua keterbatasan ini menghalangi apa yang dapat dilakukan oleh tangan robot—dan struktur fungsional lainnya.

Kemudian pencetakan inkjet 3D muncul. Versi umum dari printer ini memeras bahan resin cair melalui ratusan ribu nozel yang dikontrol secara individual—seperti printer kantor yang mencetak foto dengan resolusi tinggi. Setelah lapisan dicetak, sinar UV “mengatur” resin, mengubahnya dari cair menjadi padat. Kemudian printer mulai bekerja pada lapisan berikutnya. Dengan cara ini, printer membuat objek 3D, lapis demi lapis, pada tingkat mikroskopis.

Meskipun sangat cepat dan tepat, teknologi ini mempunyai permasalahan tersendiri. Misalnya, tidak bagus dalam mengikat bahan yang berbeda menjadi satu. Untuk mencetak robot fungsional secara 3D, para insinyur harus mencetak bagian-bagian dengan beberapa printer dan kemudian merakitnya setelahnya, atau mereka dapat mencetak struktur awal, melemparkan bagian-bagian tersebut, dan menambahkan jenis bahan tambahan dengan sifat yang diinginkan.

Salah satu kelemahan utamanya adalah ketebalan tiap lapisan tidak selalu sama. Perbedaan kecepatan “tinta”, gangguan antar nozel, dan penyusutan selama proses “pengaturan” semuanya dapat menyebabkan perbedaan kecil. Namun ketidakkonsistenan ini bertambah dengan lebih banyak lapisan, mengakibatkan objek tidak berfungsi dan kegagalan pencetakan.

Insinyur mengatasi masalah ini dengan menambahkan pisau atau roller. Seperti meratakan beton yang baru dipasang selama perbaikan jalan, langkah ini meratakan setiap lapisan sebelum lapisan berikutnya dimulai. Sayangnya, solusinya datang bersamaan dengan sakit kepala lainnya. Karena roller hanya kompatibel dengan beberapa material—yang lain akan merusak scraper—materi ini membatasi jumlah material yang dapat digunakan.

Bagaimana jika kita tidak memerlukan langkah ini sama sekali?

Eyes on the Prize

Solusi tim adalah visi mesin. Daripada membuang materi tambahan, memindai setiap lapisan saat dicetak membantu sistem mendeteksi dan mengkompensasi kesalahan kecil secara real-time.

Sistem visi mesin menggunakan empat kamera dan dua laser untuk memindai seluruh permukaan pencetakan pada resolusi mikroskopis.

Proses ini membantu printer mengoreksi dirinya sendiri, jelas tim. Dengan memahami di mana terdapat terlalu banyak atau terlalu sedikit bahan, printer dapat mengubah jumlah tinta yang disimpan pada lapisan berikutnya, yang pada dasarnya mengisi “lubang” sebelumnya. Hasilnya adalah sistem pencetakan 3D yang kuat sehingga material tambahan tidak perlu terkikis.

Ini bukan pertama kalinya visi mesin digunakan dalam printer 3D. Namun sistem baru ini dapat memindai 660 kali lebih cepat dibandingkan sistem lama, dan dapat menganalisis bentuk fisik struktur yang sedang tumbuh dalam waktu kurang dari satu detik, tulis Kong. Hal ini memungkinkan printer 3D mengakses perpustakaan materi yang jauh lebih besar, termasuk zat yang mendukung struktur kompleks selama pencetakan tetapi kemudian dihapus.

Terjemahan? Sistem ini dapat mencetak robot generasi baru yang terinspirasi dari bio jauh lebih cepat dibandingkan teknologi sebelumnya.

Sebagai uji coba, tim mencetak tangan sintetis dengan dua jenis bahan: bahan kaku yang menahan beban sebagai kerangka dan bahan lembut yang dapat ditekuk untuk membuat tendon dan ligamen. Mereka mencetak saluran di seluruh tangan untuk mengontrol pergerakannya dengan tekanan udara dan pada saat yang sama mengintegrasikan membran untuk merasakan sentuhan—pada dasarnya, ujung jari.

Mereka mengaitkan tangan tersebut ke komponen listrik eksternal dan mengintegrasikannya ke dalam robot kecil yang berjalan. Berkat ujung jarinya yang dapat merasakan tekanan, ia dapat mengambil benda-benda berbeda—pena atau botol air plastik kosong.

Sistem ini juga mencetak struktur jantung mirip manusia dengan banyak ruang. Saat memberi tekanan pada jantung sintetis, ia memompa cairan seperti cairan biologisnya.

Semuanya dicetak sekaligus.

Langkah Selanjutnya

Hasilnya mencengangkan karena terasa seperti terobosan teknologi yang sudah matang, Kong tersebut. Meskipun tersedia secara komersial selama beberapa dekade, hanya dengan menambahkan visi mesin akan memberikan kehidupan baru pada teknologi ini.

“Menariknya, beragam contoh ini dicetak hanya dengan menggunakan sedikit bahan,” tambahnya. Tim ini bertujuan untuk memperluas materi yang dapat mereka gunakan untuk mencetak dan secara langsung menambahkan sensor elektronik untuk penginderaan dan pergerakan selama pencetakan. Sistem ini juga dapat menggabungkan metode fabrikasi lainnya—misalnya, menyemprotkan lapisan molekul aktif biologis ke permukaan tangan.

Robert Katzschmann, seorang profesor di ETH Zurich dan penulis makalah baru, optimis tentang penggunaan sistem yang lebih luas. “Anda bisa memikirkan implan medis…[atau] menggunakan ini untuk membuat prototipe berbagai hal dalam rekayasa jaringan,” katanya. “Teknologi itu sendiri akan terus berkembang.”

Kredit Gambar: ETH Zurich/Thomas Buchner