Gli scienziati stampano in 3D una mano robotica complessa con ossa, tendini e legamenti

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Gli scienziati stampano in 3D una mano robotica complessa con ossa, tendini e legamenti PlatoBlockchain Data Intelligence. Ricerca verticale. Ai.

Non ci pensiamo due volte a usare le mani durante il giorno per compiti che ancora ostacolano i robot sofisticati: versare il caffè senza rovesciarlo quando si è mezzi svegli, piegare il bucato senza strappare i tessuti delicati.

La complessità delle nostre mani è in parte da ringraziare. Sono meraviglie dell'ingegneria biologica: lo scheletro duro mantiene la forma e l'integrità e lascia che le dita sostengano il peso. I tessuti molli, come muscoli e legamenti, conferiscono loro destrezza. Grazie all’evoluzione, tutti questi “biomateriali” si autoassemblano.

Ricrearli artificialmente è un'altra questione.

Gli scienziati hanno provato a utilizzare la produzione additiva, meglio conosciuta come stampa 3D-per ricreare strutture complesse dalle mani ai cuori. Ma la tecnologia inciampa quando si integrano più materiali in un unico processo di stampa. La stampa 3D di una mano robotica, ad esempio, richiede più stampanti – una per realizzare lo scheletro, un’altra per i materiali dei tessuti molli – e l’assemblaggio delle parti. Questi passaggi multipli aumentano i tempi e la complessità della produzione.

Gli scienziati hanno cercato a lungo di combinare materiali diversi in un unico processo di stampa 3D. Un team del laboratorio di robotica morbida dell'ETH di Zurigo ha trovato un modo.

Il team ha dotato una stampante a getto d’inchiostro 3D, che si basa sulla stessa tecnologia delle normali stampanti da ufficio, con la visione artificiale, che le consente di adattarsi rapidamente a diversi materiali. L'approccio, chiamato getto controllato dalla visione, raccoglie continuamente informazioni sulla forma di una struttura durante la stampa per ottimizzare il modo in cui stampa lo strato successivo, indipendentemente dal tipo di materiale.

In un test, il team ha stampato in 3D una mano sintetica in una volta sola. Completa di scheletro, legamenti e tendini, la mano può afferrare diversi oggetti quando “sente” la pressione sulla punta delle dita.

Hanno anche stampato in 3D una struttura simile a un cuore umano, completa di camere, valvole unidirezionali e la capacità di pompare fluidi a una velocità pari a circa il 40% di quella del cuore di un essere umano adulto.

Lo studio è “molto impressionante”, ha affermato il dottor Yong Lin Kong dell'Università dello Utah, che non è stato coinvolto nel lavoro ma ha scritto un commento di accompagnamento, Ha detto Natura. La stampa a getto d’inchiostro 3D è già una tecnologia matura, ha aggiunto, ma questo studio mostra che la visione artificiale consente di espandere le capacità della tecnologia a strutture più complesse e molteplici materiali.

Il problema con la stampa a getto d'inchiostro 3D

Ricreare una struttura utilizzando metodi convenzionali è noioso e soggetto a errori. Gli ingegneri realizzano uno stampo per ottenere la forma desiderata, ad esempio lo scheletro di una mano, quindi combinano la struttura iniziale con altri materiali.

È un processo noioso che richiede un'attenta calibrazione. Come quando si installa l'anta di un armadio, qualsiasi errore la lascia sbilenca. Per qualcosa di così complesso come una mano robotica, i risultati possono essere piuttosto Frankenstein.

Inoltre, i metodi tradizionali rendono difficile incorporare materiali con proprietà diverse e tendono a mancare i dettagli fini richiesti in qualcosa di così complesso come una mano sintetica. Tutte queste limitazioni compromettono ciò che una mano robotica e altre strutture funzionali possono fare.

Poi è arrivata la stampa a getto d’inchiostro 3D. Le versioni comuni di queste stampanti comprimono un materiale di resina liquida attraverso centinaia di migliaia di ugelli controllati individualmente, come una stampante da ufficio che stampa una foto ad alta risoluzione. Una volta stampato uno strato, una luce UV “fissa” la resina, trasformandola da liquida a solida. Quindi la stampante inizia a lavorare sul livello successivo. In questo modo, la stampante costruisce un oggetto 3D, strato dopo strato, a livello microscopico.

Sebbene incredibilmente veloce e precisa, la tecnologia ha i suoi problemi. Ad esempio, non è eccezionale nel legare insieme materiali diversi. Per stampare in 3D un robot funzionale, gli ingegneri devono stampare parti con più stampanti e poi assemblarle successivamente, oppure possono stampare una struttura iniziale, fondere attorno alla parte e aggiungere ulteriori tipi di materiali con le proprietà desiderate.

Uno svantaggio principale è che lo spessore di ogni strato non è sempre lo stesso. Le differenze nella velocità dell'"inchiostro", l'interferenza tra gli ugelli e il restringimento durante il processo di "fissaggio" possono causare piccole differenze. Ma queste incoerenze si sommano a più livelli, provocando il malfunzionamento degli oggetti e errori di stampa.

Gli ingegneri affrontano questo problema aggiungendo una lama o un rullo. Come l'appiattimento del calcestruzzo appena posato durante i lavori stradali, questo passaggio livella ogni strato prima che inizi quello successivo. La soluzione, purtroppo, porta con sé altri grattacapi. Poiché i rulli sono compatibili solo con alcuni materiali (altri intasano il raschietto) limitano la gamma di materiali che possono essere utilizzati.

E se non avessimo affatto bisogno di questo passaggio?

Eyes on the Prize

La soluzione del team è la visione artificiale. Invece di raschiare via materiale in eccesso, la scansione di ogni strato durante la stampa aiuta il sistema a rilevare e compensare piccoli errori in tempo reale.

Il sistema di visione artificiale utilizza quattro telecamere e due laser per scansionare l'intera superficie di stampa con una risoluzione microscopica.

Questo processo aiuta la stampante ad autocorreggersi, ha spiegato il team. Comprendendo dove c'è troppo o troppo poco materiale, la stampante può modificare la quantità di inchiostro depositato nello strato successivo, riempiendo essenzialmente le "buche" precedenti. Il risultato è un potente sistema di stampa 3D in cui non è necessario raschiare via il materiale extra.

Questa non è la prima volta che la visione artificiale viene utilizzata nelle stampanti 3D. Ma il nuovo sistema può eseguire la scansione 660 volte più velocemente di quelli più vecchi e può analizzare la forma fisica della struttura in crescita in meno di un secondo, ha scritto Kong. Ciò consente alla stampante 3D di accedere a una libreria di materiali molto più ampia, comprese sostanze che supportano strutture complesse durante la stampa ma che vengono rimosse in seguito.

Traduzione? Il sistema può stampare una nuova generazione di robot bio-ispirati molto più velocemente di qualsiasi tecnologia precedente.

Come test, il team ha stampato una mano sintetica con due tipi di materiali: un materiale rigido e portante che funge da scheletro e un materiale morbido e flessibile per realizzare tendini e legamenti. Hanno stampato dei canali in tutta la mano per controllarne il movimento con la pressione dell'aria e allo stesso tempo hanno integrato una membrana per percepire il tatto, essenzialmente la punta delle dita.

Hanno agganciato la mano a componenti elettrici esterni e l'hanno integrata in un piccolo robot ambulante. Grazie ai polpastrelli sensibili alla pressione, potrebbe raccogliere diversi oggetti: una penna o una bottiglia d'acqua di plastica vuota.

Il sistema ha anche stampato una struttura cardiaca simile a quella umana con più camere. Quando pressurizzava il cuore sintetico, pompava fluidi come la sua controparte biologica.

È stato stampato tutto in una volta sola.

Passi successivi

I risultati sono affascinanti perché sembrano una svolta per una tecnologia che è già in uno stato maturo, Kong disse. Sebbene sia disponibile in commercio da decenni, la semplice aggiunta della visione artificiale dà nuova vita alla tecnologia.

"La cosa interessante è che questi diversi esempi sono stati stampati utilizzando solo pochi materiali", ha aggiunto. Il team mira ad espandere i materiali con cui è possibile stampare e aggiungere direttamente sensori elettronici per il rilevamento e il movimento durante la stampa. Il sistema potrebbe anche incorporare altri metodi di fabbricazione, ad esempio spruzzando uno strato di molecole biologicamente attive sulla superficie delle mani.

Robert Katzschmann, professore all'ETH di Zurigo e autore del nuovo articolo, è ottimista riguardo a un utilizzo più ampio del sistema. "Si potrebbe pensare a impianti medici... [o] usarli per prototipare cose nell'ingegneria dei tessuti", ha detto. “La tecnologia stessa non potrà che crescere”.

Credito fotografico: ETH Zurigo/Thomas Buchner