Cientistas imprimem em 3D uma mão robótica complexa com ossos, tendões e ligamentos

Não pensamos duas vezes antes de usar as mãos ao longo do dia para tarefas que ainda frustram robôs sofisticados – servir café sem derramar quando estamos meio acordados, dobrar roupas sem rasgar tecidos delicados.

A complexidade de nossas mãos é em parte um agradecimento. São maravilhas da engenharia biológica: o esqueleto rígido mantém sua forma e integridade e permite que os dedos suportem peso. Os tecidos moles, como músculos e ligamentos, conferem-lhes destreza. Graças à evolução, todos esses “biomateriais” se automontam.

Recriá-los artificialmente é outra questão.

Os cientistas tentaram usar a manufatura aditiva – mais conhecida como impressão 3D—para recriar estruturas complexas das mãos aos corações. Mas a tecnologia tropeça ao integrar vários materiais num único processo de impressão. A impressão 3D de uma mão robótica, por exemplo, requer múltiplas impressoras – uma para fazer o esqueleto, outra para materiais de tecidos moles – e a montagem de peças. Essas múltiplas etapas aumentam o tempo e a complexidade da fabricação.

Os cientistas há muito procuram combinar diferentes materiais em um único processo de impressão 3D. Uma equipe do laboratório de robótica leve da ETH Zurique encontrou um caminho.

A equipe equipou uma impressora 3D jato de tinta – que se baseia na mesma tecnologia das impressoras normais de escritório – com visão mecânica, permitindo que ela se adapte rapidamente a diferentes materiais. A abordagem, chamada jateamento controlado por visão, reúne continuamente informações sobre o formato de uma estrutura durante a impressão para ajustar como ela imprime a próxima camada, independentemente do tipo de material.

Em um teste, a equipe imprimiu em 3D uma mão sintética de uma só vez. Completa com esqueleto, ligamentos e tendões, a mão pode agarrar diferentes objetos quando “sente” pressão na ponta dos dedos.

Eles também imprimiram em 3D uma estrutura semelhante a um coração humano, completa com câmaras, válvulas unidirecionais e a capacidade de bombear fluido a uma taxa de aproximadamente 40% da do coração de um ser humano adulto.

O estudo é “muito impressionante”, disse o Dr. Yong Lin Kong, da Universidade de Utah, que não esteve envolvido no trabalho, mas escreveu um comentário acompanhante, Disse Natureza. A impressão a jato de tinta 3D já é uma tecnologia madura, acrescentou, mas este estudo mostra que a visão mecânica torna possível expandir as capacidades da tecnologia para estruturas mais complexas e múltiplos materiais.

O problema com a impressão a jato de tinta 3D

Recriar uma estrutura usando métodos convencionais é tedioso e sujeito a erros. Os engenheiros moldam um molde para formar o formato desejado – digamos, o esqueleto de uma mão – e depois combinam a estrutura inicial com outros materiais.

É um processo entorpecente que requer calibração cuidadosa. Assim como instalar a porta de um armário, qualquer erro a deixa desequilibrada. Para algo tão complexo como uma mão robótica, os resultados podem ser bastante Frankenstein.

Os métodos tradicionais também dificultam a incorporação de materiais com propriedades diferentes e tendem a não ter os detalhes necessários em algo tão complexo como uma mão sintética. Todas essas limitações limitam o que uma mão robótica – e outras estruturas funcionais – pode fazer.

Então surgiu a impressão a jato de tinta 3D. Versões comuns dessas impressoras comprimem um material de resina líquida através de centenas de milhares de bicos controlados individualmente – como uma impressora de escritório imprimindo uma foto em alta resolução. Depois que uma camada é impressa, uma luz UV “fixa” a resina, transformando-a de líquida em sólida. Em seguida, a impressora começa a trabalhar na próxima camada. Desta forma, a impressora constrói um objeto 3D, camada por camada, em nível microscópico.

Embora incrivelmente rápida e precisa, a tecnologia tem seus problemas. Não é ótimo para unir materiais diferentes, por exemplo. Para imprimir em 3D um robô funcional, os engenheiros devem imprimir peças com múltiplas impressoras e depois montá-las, ou podem imprimir uma estrutura inicial, moldar a peça e adicionar tipos adicionais de materiais com as propriedades desejadas.

Uma desvantagem principal é que a espessura de cada camada nem sempre é a mesma. Diferenças na velocidade da “tinta”, interferência entre bicos e encolhimento durante o processo de “configuração” podem causar pequenas diferenças. Mas essas inconsistências se somam a mais camadas, resultando em objetos com defeito e falhas de impressão.

Os engenheiros resolvem esse problema adicionando uma lâmina ou rolo. Assim como o nivelamento do concreto recém-colocado durante obras rodoviárias, esta etapa nivela cada camada antes do início da próxima. A solução, infelizmente, vem acompanhada de outras dores de cabeça. Como os rolos são compatíveis apenas com alguns materiais – outros prejudicam o raspador – eles limitam a gama de materiais que podem ser usados.

E se não precisarmos dessa etapa?

De olho no prêmio

A solução da equipe é a visão mecânica. Em vez de remover material extra, a digitalização de cada camada durante a impressão ajuda o sistema a detectar e compensar pequenos erros em tempo real.

O sistema de visão mecânica usa quatro câmeras e dois lasers para escanear toda a superfície de impressão em resolução microscópica.

Esse processo ajuda a autocorreção da impressora, explicou a equipe. Ao compreender onde há muito ou pouco material, a impressora pode alterar a quantidade de tinta depositada na próxima camada, essencialmente preenchendo “buracos” anteriores. O resultado é um poderoso sistema de impressão 3D no qual o material extra não precisa ser raspado.

Esta não é a primeira vez que a visão mecânica é usada em impressoras 3D. Mas o novo sistema pode digitalizar 660 vezes mais rápido do que os mais antigos e pode analisar a forma física da estrutura em crescimento em menos de um segundo, escreveu Kong. Isso permite que a impressora 3D acesse uma biblioteca muito maior de materiais, incluindo substâncias que suportam estruturas complexas durante a impressão, mas que são removidas posteriormente.

Tradução? O sistema pode imprimir uma nova geração de robôs de inspiração biológica muito mais rápido do que qualquer tecnologia anterior.

Como teste, a equipe imprimiu uma mão sintética com dois tipos de materiais: um material rígido e resistente para atuar como esqueleto e um material macio e flexível para fazer tendões e ligamentos. Eles imprimiram canais em toda a mão para controlar seu movimento com a pressão do ar e, ao mesmo tempo, integraram uma membrana para sentir o toque – essencialmente, as pontas dos dedos.

Eles conectaram a mão a componentes elétricos externos e a integraram a um pequeno robô ambulante. Graças às pontas dos dedos sensíveis à pressão, ele poderia pegar diferentes objetos – uma caneta ou uma garrafa plástica de água vazia.

O sistema também imprimiu uma estrutura cardíaca semelhante à humana com múltiplas câmaras. Ao pressurizar o coração sintético, ele bombeou fluidos como seu equivalente biológico.

Tudo foi impresso de uma só vez.

Próximos Passos

Os resultados são fascinantes porque parecem um avanço para uma tecnologia que já está madura, Kong dito. Embora esteja comercialmente disponível há décadas, apenas adicionar a visão mecânica dá uma nova vida à tecnologia.

“É emocionante que esses diversos exemplos foram impressos usando apenas alguns materiais”, acrescentou. A equipe pretende expandir os materiais com os quais podem imprimir e adicionar diretamente sensores eletrônicos para detecção e movimento durante a impressão. O sistema também poderia incorporar outros métodos de fabricação – por exemplo, pulverizar uma camada de moléculas biologicamente ativas na superfície das mãos.

Robert Katzschmann, professor da ETH Zurique e autor do novo artigo, está otimista quanto ao uso mais amplo do sistema. “Você poderia pensar em implantes médicos… [ou] usar isso para criar protótipos em engenharia de tecidos”, disse ele. “A tecnologia em si só crescerá.”

Crédito da imagem: ETH Zurique/Thomas Buchner

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
• PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
• PlatãoESG. Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
• PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
• Fonte: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/