Oamenii de știință imprimă 3D o mână robotică complexă cu oase, tendoane și ligamente

Nu ne gândim de două ori să ne folosim mâinile pe tot parcursul zilei pentru sarcini care încă zădărnicesc roboții sofisticați - turnarea cafelei fără a vărsa când suntem pe jumătate treji, împăturirea rufelor fără a rupe țesăturile delicate.

Complexitatea mâinilor noastre este parțial de mulțumire. Sunt minuni ale ingineriei biologice: scheletul dur își păstrează forma și integritatea și lasă degetele să suporte greutatea. Țesuturile moi, cum ar fi mușchii și ligamentele, le conferă dexteritate. Datorită evoluției, toate aceste „biomateriale” se autoasambla.

Recrearea lor artificială este o altă chestiune.

Oamenii de știință au încercat să folosească fabricarea aditivă - mai bine cunoscută ca 3D imprimare— pentru a recrea structuri complexe de la mâini la inimi. Dar tehnologia se împiedică atunci când integrează mai multe materiale într-un singur proces de imprimare. Imprimarea 3D a unei mâini robotizate, de exemplu, necesită mai multe imprimante - una pentru a face scheletul, alta pentru materiale de țesut moale - și asamblarea pieselor. Acești pași multipli cresc timpul și complexitatea producției.

Oamenii de știință au căutat de mult timp să combine diferite materiale într-un singur proces de imprimare 3D. O echipă de la laboratorul de robotică moale de la ETH Zurich a găsit o cale.

Echipa a echipat o imprimantă cu jet de cerneală 3D – care se bazează pe aceeași tehnologie din imprimantele normale de birou – cu viziune artificială, permițându-i să se adapteze rapid la diferite materiale. Abordarea, numită jet controlat prin viziune, adună în mod continuu informații despre forma unei structuri în timpul imprimării pentru a ajusta modul în care imprimă următorul strat, indiferent de tipul de material.

Într-un test, echipa a imprimat 3D o mână sintetică dintr-o singură mișcare. Complet cu schelet, ligamente și tendoane, mâna poate prinde diferite obiecte atunci când „simte” presiune în vârful degetelor.

De asemenea, au imprimat 3D o structură asemănătoare unei inimi umane, completă cu camere, supape unidirecționale și capacitatea de a pompa lichid la o rată de aproximativ 40% din inima unui om adult.

Studiul este „foarte impresionant”, dr. Yong Lin Kong de la Universitatea din Utah, care nu a fost implicat în lucrare, dar a scris un comentariu însoțitor, a declarat pentru Natură. Imprimarea 3D cu jet de cerneală este deja o tehnologie matură, a adăugat el, dar acest studiu arată că viziunea automată face posibilă extinderea capacităților tehnologiei la structuri mai complexe și materiale multiple.

Problema cu imprimarea cu jet de cerneală 3D

Recrearea unei structuri folosind metode convenționale este plictisitoare și predispusă la erori. Inginerii au turnat o matriță pentru a forma forma dorită - de exemplu, scheletul unei mâini - apoi combină structura inițială cu alte materiale.

Este un proces amețitor care necesită o calibrare atentă. La fel ca la instalarea unei uși de dulap, orice eroare o lasă dezamăgită. Pentru ceva la fel de complex ca o mână de robot, rezultatele pot fi mai degrabă Frankenstein.

Metodele tradiționale îngreunează, de asemenea, încorporarea materialelor cu proprietăți diferite și tind să le lipsească detaliile fine necesare în ceva la fel de complex precum o mână sintetică. Toate aceste limitări reprezintă ceea ce poate face o mână robotică și alte structuri funcționale.

Apoi a apărut imprimarea cu jet de cerneală 3D. Versiunile obișnuite ale acestor imprimante stoarce un material rășină lichid prin sute de mii de duze controlate individual, cum ar fi o imprimantă de birou care imprimă o fotografie la rezoluție înaltă. Odată ce un strat este imprimat, o lumină UV „setează” rășina, transformând-o din lichid în solid. Apoi imprimanta începe să lucreze la următorul strat. In acest fel, imprimanta construieste un obiect 3D, strat cu strat, la nivel microscopic.

Deși incredibil de rapidă și precisă, tehnologia are problemele ei. Nu este grozav la legarea diferitelor materiale împreună, de exemplu. Pentru a imprima 3D un robot funcțional, inginerii trebuie fie să imprime piese cu mai multe imprimante și apoi să le asambleze după, fie pot imprima o structură inițială, pot turna în jurul piesei și pot adăuga tipuri suplimentare de materiale cu proprietățile dorite.

Un dezavantaj principal este că grosimea fiecărui strat nu este întotdeauna aceeași. Diferențele de viteză a „cernelii”, interferența dintre duze și contracția în timpul procesului de „setare” pot provoca diferențe mici. Dar aceste inconsecvențe se adună cu mai multe straturi, ducând la obiecte care funcționează defectuos și la imprimare eșec.

Inginerii abordează această problemă adăugând o lamă sau o rolă. La fel ca în cazul aplatizării betonului nou așezat în timpul lucrărilor la drum, acest pas nivelează fiecare strat înainte de a începe următorul. Soluția, din păcate, vine cu alte batai de cap. Deoarece rolele sunt compatibile doar cu unele materiale - altele murdează racleta - ele limitează gama de materiale care pot fi utilizate.

Dacă nu avem deloc nevoie de acest pas?

Ochii la Premiu

Soluția echipei este viziunea artificială. În loc să răzuiești materialul suplimentar, scanarea fiecărui strat în timpul imprimării ajută sistemul să detecteze și să compenseze micile greșeli în timp real.

Sistemul de viziune artificială utilizează patru camere și două lasere pentru a scana întreaga suprafață de imprimare la rezoluție microscopică.

Acest proces ajută imprimanta să se autocorecteze, a explicat echipa. Înțelegând unde există prea mult sau prea puțin material, imprimanta poate modifica cantitatea de cerneală depusă în stratul următor, umplând, în esență, „gurile anterioare”. Rezultatul este un sistem puternic de imprimare 3D în care materialul suplimentar nu trebuie să fie îndepărtat.

Nu este prima dată când viziunea artificială este folosită în imprimantele 3D. Dar noul sistem poate scana de 660 de ori mai repede decât cele mai vechi și poate analiza forma fizică a structurii în creștere în mai puțin de o secundă, a scris Kong. Acest lucru permite imprimantei 3D să acceseze o bibliotecă mult mai mare de materiale, inclusiv substanțe care susțin structuri complexe în timpul imprimării, dar sunt îndepărtate ulterior.

Traducere? Sistemul poate imprima o nouă generație de roboți bio-inspirați mult mai rapid decât orice tehnologie anterioară.

Ca test, echipa a imprimat o mână sintetică cu două tipuri de materiale: un material rigid, portant, care să acționeze ca un schelet și un material moale, flexibil, pentru a face tendoane și ligamente. Au imprimat canale în întreaga mână pentru a-i controla mișcarea cu presiunea aerului și, în același timp, au integrat o membrană pentru a simți atingerea - în esență, vârfurile degetelor.

Au prins mâna de componente electrice externe și au integrat-o într-un mic robot de mers. Datorită vârfurilor degetelor care detectează presiunea, ar putea ridica diferite obiecte - un stilou sau o sticlă de apă goală din plastic.

Sistemul a imprimat, de asemenea, o structură a inimii asemănătoare omului cu mai multe camere. Când a presurizat inima sintetică, a pompat fluide ca omologul său biologic.

Totul a fost tipărit dintr-o singură mișcare.

Pasii urmatori

Rezultatele sunt fascinante pentru că se simt ca o descoperire pentru o tehnologie care este deja într-o stare matură, Kong a spus. Deși este disponibil comercial de zeci de ani, doar prin adăugarea de viziune artificială dă tehnologiei o viață nouă.

„În mod emoționant, aceste exemple diverse au fost tipărite folosind doar câteva materiale”, a adăugat el. Echipa își propune să extindă materialele cu care pot imprima și să adauge direct senzori electronici pentru detectarea și mișcarea în timpul imprimării. Sistemul ar putea include și alte metode de fabricare, de exemplu, pulverizarea unui strat de molecule biologic active pe suprafața mâinilor.

Robert Katzschmann, profesor la ETH Zurich și autor al noii lucrări, este optimist cu privire la utilizarea mai largă a sistemului. „Te-ai putea gândi la implanturi medicale…[sau] să folosești asta pentru prototiparea lucrurilor în ingineria țesuturilor”, a spus el. „Tehnologia în sine va crește doar.”

Credit imagine: ETH Zurich/Thomas Buchner

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/