Ученые напечатали на 3D-принтере сложную роботизированную руку с костями, сухожилиями и связками

Мы не задумываемся, прежде чем использовать руки в течение дня для выполнения задач, которые до сих пор не под силу сложным роботам: наливать кофе, не проливая его в полубодрстве, складывать белье, не разрывая деликатные ткани.

Отчасти это заслуга сложности наших рук. Это чудеса биологической инженерии: твердый скелет сохраняет форму и целостность и позволяет пальцам выдерживать вес. Мягкие ткани, такие как мышцы и связки, придают им ловкость. Благодаря эволюции все эти «биоматериалы» самособираются.

Воссоздать их искусственно – другое дело.

Ученые попытались использовать аддитивное производство, более известное как 3D печать— воссоздавать сложные конструкции от рук до сердец. Но технология дает сбои при объединении нескольких материалов в один процесс печати. Например, для 3D-печати роботизированной руки требуется несколько принтеров — один для изготовления скелета, другой для мягких тканей — и сборки деталей. Эти многочисленные этапы увеличивают время и сложность производства.

Ученые уже давно стремятся объединить разные материалы в единый процесс 3D-печати. Команда лаборатории мягкой робототехники в ETH Zurich нашел способ.

Команда оснастила струйный 3D-принтер, основанный на той же технологии, что и обычные офисные принтеры, машинным зрением, что позволило ему быстро адаптироваться к различным материалам. Этот подход, называемый струйной обработкой с визуальным управлением, непрерывно собирает информацию о форме структуры во время печати, чтобы точно настроить способ печати следующего слоя, независимо от типа материала.

В ходе теста команда напечатала синтетическую руку на 3D-принтере за один раз. Рука, имеющая скелет, связки и сухожилия, может захватывать различные предметы, когда «чувствует» давление на кончиках пальцев.

Они также напечатали на 3D-принтере структуру, похожую на человеческое сердце, с камерами, односторонними клапанами и способностью перекачивать жидкость со скоростью примерно 40 процентов от скорости сердца взрослого человека.

Исследование «очень впечатляет», заявил доктор Юн Лин Конг из Университета Юты, который не принимал участия в работе, но написал сопроводительный комментарий, Сказал природа. Он добавил, что 3D-струйная печать уже является зрелой технологией, но это исследование показывает, что машинное зрение позволяет расширить возможности технологии для более сложных структур и множества материалов.

Проблема с 3D-струйной печатью

Воссоздание структуры с использованием традиционных методов утомительно и подвержено ошибкам. Инженеры отливают форму, придавая ей желаемую форму — скажем, скелет руки, — а затем комбинируют исходную структуру с другими материалами.

Это отупляющий процесс, требующий тщательной калибровки. Как и при установке дверцы шкафа, любые ошибки приводят к тому, что она перекосится. Для чего-то столь сложного, как рука робота, результаты могут оказаться весьма Франкенштейновскими.

Традиционные методы также затрудняют использование материалов с различными свойствами, и им, как правило, не хватает мелких деталей, необходимых для чего-то столь сложного, как синтетическая рука. Все эти ограничения ограничивают возможности роботизированной руки и других функциональных структур.

Затем появилась струйная 3D-печать. Обычные версии этих принтеров пропускают жидкий полимерный материал через сотни тысяч сопел с индивидуальным управлением — как офисный принтер, печатающий фотографию с высоким разрешением. После того, как слой напечатан, УФ-свет «фиксирует» смолу, превращая ее из жидкого в твердое состояние. Затем принтер приступает к работе над следующим слоем. Таким образом, принтер слой за слоем строит 3D-объект на микроскопическом уровне.

Несмотря на невероятно быструю и точную технологию, у нее есть свои проблемы. Например, он не очень хорош для соединения разных материалов. Чтобы напечатать функционального робота на 3D-принтере, инженеры должны либо распечатать детали на нескольких принтерах, а затем собрать их, либо они могут распечатать исходную структуру, отлить ее вокруг детали и добавить дополнительные типы материалов с желаемыми свойствами.

Одним из основных недостатков является то, что толщина каждого слоя не всегда одинакова. Различия в скорости «чернил», помехи между соплами и усадка во время процесса «затвердевания» могут вызывать незначительные различия. Но эти несоответствия складываются из-за большего количества слоев, что приводит к сбоям в работе объектов и сбоям при печати.

Инженеры решают эту проблему, добавляя лезвие или ролик. Подобно выравниванию свежеуложенного бетона во время дорожных работ, на этом этапе выравнивается каждый слой перед началом следующего. Решение, к сожалению, сопровождается и другими головными болями. Поскольку ролики совместимы только с некоторыми материалами (другие засоряют скребок), они ограничивают диапазон материалов, которые можно использовать.

Что, если нам вообще не нужен этот шаг?

Глаза на приз

Решение команды — машинное зрение. Вместо того чтобы удалять лишний материал, сканирование каждого слоя во время печати помогает системе обнаруживать и компенсировать небольшие ошибки в режиме реального времени.

Система машинного зрения использует четыре камеры и два лазера для сканирования всей поверхности печати с микроскопическим разрешением.

По словам команды, этот процесс помогает принтеру самостоятельно исправить ситуацию. Понимая, где материала слишком много или слишком мало, принтер может изменить количество чернил, наносимых в следующий слой, по существу заполняя предыдущие «выбоины». Результатом является мощная система 3D-печати, в которой не нужно соскабливать дополнительный материал.

Это не первый случай использования машинного зрения в 3D-принтерах. Но новая система может сканировать в 660 раз быстрее, чем предыдущие, и анализировать физическую форму растущей структуры менее чем за секунду, пишет Конг. Это позволяет 3D-принтеру получить доступ к гораздо большей библиотеке материалов, включая вещества, которые поддерживают сложные структуры во время печати, но удаляются позже.

Перевод? Система может печатать новое поколение биороботов гораздо быстрее, чем любые предыдущие технологии.

В качестве теста команда напечатала синтетическую руку из двух типов материалов: жесткого, несущего нагрузку материала, служащего скелетом, и мягкого, сгибаемого материала, из которого изготавливаются сухожилия и связки. Они напечатали каналы по всей руке, чтобы контролировать ее движение с помощью давления воздуха, и в то же время интегрировали мембрану для восприятия прикосновения — по сути, кончиков пальцев.

Они подключили руку к внешним электрическим компонентам и интегрировали ее в маленького шагающего робота. Благодаря кончикам пальцев, чувствительным к давлению, он мог брать в руки разные предметы — ручку или пустую пластиковую бутылку с водой.

Система также напечатала человеческую структуру сердца с несколькими камерами. Создавая давление на синтетическое сердце, оно перекачивало жидкости, как и его биологический аналог.

Все было напечатано за один раз.

Следующие шаги

Результаты впечатляют, потому что они кажутся прорывом для технологии, которая уже находится в зрелом состоянии, Конг. — сказал. Несмотря на то, что технология коммерчески доступна уже несколько десятилетий, простое добавление машинного зрения дает технологии новую жизнь.

«Удивительно, что эти разнообразные примеры были напечатаны с использованием всего нескольких материалов», — добавил он. Команда стремится расширить список материалов, с помощью которых они могут печатать, и напрямую добавить электронные датчики для определения движения во время печати. Система может также включать в себя другие методы изготовления — например, распыление слоя биологически активных молекул на поверхность рук.

Роберт Кацшманн, профессор ETH Zurich и автор новой статьи, с оптимизмом смотрит на более широкое использование системы. «Можно подумать о медицинских имплантатах… [или] использовать их для прототипирования вещей в тканевой инженерии», — сказал он. «Сама технология будет только развиваться».

Изображение предоставлено: ETH Zurich/Thomas Buchner

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/