Forskare 3D-skriver ut en komplex robothand med ben, senor och ligament

Vi tänker inte två gånger på att använda händerna hela dagen för uppgifter som fortfarande omintetgör sofistikerade robotar – hälla upp kaffe utan att spilla när vi är halvvakna, vika tvätt utan att slita sönder ömtåliga tyger.

Komplexiteten i våra händer är delvis att tacka. De är underverk inom biologisk ingenjörskonst: Hårt skelett behåller sin form och integritet och låter fingrarna bära vikt. Mjuka vävnader, såsom muskler och ligament, ger dem fingerfärdighet. Tack vare evolutionen monteras alla dessa "biomaterial" själv.

Att återskapa dem på konstgjord väg är en annan sak.

Forskare har försökt använda additiv tillverkning – mer känd som 3D tryckning—att återskapa komplexa strukturer från händer till hjärtan. Men tekniken snubblar när man integrerar flera material i en utskriftsprocess. 3D-utskrift av en robothand kräver till exempel flera skrivare – en för att göra skelettet, en annan för mjukvävnadsmaterial – och montering av delar. Dessa flera steg ökar tillverkningstiden och komplexiteten.

Forskare har länge försökt kombinera olika material till en enda 3D-utskriftsprocess. Ett team från mjukrobotlabbet vid ETH Zürich har hittat ett sätt.

Teamet utrustade en 3D-bläckstråleskrivare – som är baserad på samma teknik i vanliga kontorsskrivare – med maskinseende, vilket gör att den snabbt kan anpassa sig till olika material. Metoden, som kallas vision-controlled jetting, samlar kontinuerligt information om en strukturs form under utskrift för att finjustera hur den skriver ut nästa lager, oavsett typ av material.

I ett test skrev teamet 3D ut en syntetisk hand på en gång. Komplett med skelett, ligament och senor, kan handen greppa olika föremål när den "känner" tryck vid fingertopparna.

De 3D-printade också en struktur som ett mänskligt hjärta, komplett med kammare, envägsventiler och förmågan att pumpa vätska i en hastighet av ungefär 40 procent av en vuxen människas hjärta.

Studien är "mycket imponerande", Dr Yong Lin Kong vid University of Utah, som inte var involverad i arbetet men skrev en tillhörande kommentar, Berättade Natur. 3D-bläckstråleutskrift är redan en mogen teknologi, tillade han, men den här studien visar att maskinseende gör det möjligt att utöka teknikens kapacitet till mer komplexa strukturer och flera material.

Problemet med 3D-bläckstråleutskrift

Att återskapa en struktur med konventionella metoder är tråkigt och felbenäget. Ingenjörer gjuter en form för att forma den önskade formen - säg skelett av en hand - och kombinerar sedan den ursprungliga strukturen med andra material.

Det är en bedövande process som kräver noggrann kalibrering. Som att installera en skåpdörr, gör eventuella fel den skev. För något så komplext som en robothand kan resultatet bli ganska Frankenstein.

Traditionella metoder gör det också svårt att inkorporera material med olika egenskaper, och de tenderar att sakna de fina detaljer som krävs i något så komplext som en syntetisk hand. Alla dessa begränsningar som en robothand – och andra funktionella strukturer – kan göra.

Sedan kom 3D bläckstråleutskrift. Vanliga versioner av dessa skrivare pressar ett flytande hartsmaterial genom hundratusentals individuellt styrda munstycken – som en kontorsskrivare som skriver ut ett foto med hög upplösning. När ett lager väl har skrivits ut "ställer" ett UV-ljus hartset och förvandlar det från flytande till fast. Sedan börjar skrivaren jobba på nästa lager. På så sätt bygger skrivaren ett 3D-objekt, lager för lager, på mikroskopisk nivå.

Även om den är otroligt snabb och exakt, har tekniken sina problem. Det är till exempel inte bra på att binda ihop olika material. För att 3D-skriva ut en funktionell robot måste ingenjörer antingen skriva ut delar med flera skrivare och sedan montera dem efter, eller så kan de skriva ut en initial struktur, gjuta runt delen och lägga till ytterligare typer av material med önskade egenskaper.

En huvudsaklig nackdel är att tjockleken på varje lager inte alltid är densamma. Skillnader i hastigheten på "bläck", interferens mellan munstycken och krympning under "inställningsprocessen" kan alla orsaka små skillnader. Men dessa inkonsekvenser blir fler lager, vilket resulterar i felaktiga objekt och utskriftsfel.

Ingenjörer löser detta problem genom att lägga till ett blad eller en rulle. Som att platta till nylagd betong vid vägarbete, jämnar detta steg ut varje lager innan nästa startar. Lösningen kommer tyvärr med annan huvudvärk. Eftersom rullarna bara är kompatibla med vissa material - andra har slängt skrapan - begränsar de utbudet av material som kan användas.

Tänk om vi inte behöver det här steget alls?

Ögonen på priset

Teamets lösning är maskinseende. Istället för att skrapa bort extra material, skanna varje lager när det skrivs ut, hjälper systemet att upptäcka och kompensera för små misstag i realtid.

Machine vision-systemet använder fyra kameror och två lasrar för att skanna hela utskriftsytan med mikroskopisk upplösning.

Denna process hjälper skrivaren att korrigera sig själv, förklarade teamet. Genom att förstå var det finns för mycket eller för lite material kan skrivaren ändra mängden bläck som avsätts i nästa lager, vilket i huvudsak fyller tidigare "potholes". Resultatet är ett kraftfullt 3D-utskriftssystem där extra material inte behöver skrapas bort.

Det är inte första gången maskinseende har använts i 3D-skrivare. Men det nya systemet kan skanna 660 gånger snabbare än äldre, och det kan analysera den växande strukturens fysiska form på mindre än en sekund, skrev Kong. Detta gör att 3D-skrivaren kan komma åt ett mycket större bibliotek av material, inklusive ämnen som stödjer komplexa strukturer under utskrift men som tas bort senare.

Översättning? Systemet kan skriva ut en ny generation av bioinspirerade robotar mycket snabbare än någon tidigare teknik.

Som ett test tryckte teamet en syntetisk hand med två typer av material: ett styvt, lastbärande material för att fungera som ett skelett och ett mjukt böjbart material för att göra senor och ligament. De tryckte kanaler genom hela handen för att kontrollera dess rörelse med lufttryck och integrerade samtidigt ett membran för att känna beröring - i huvudsak fingertopparna.

De kopplade handen till externa elektriska komponenter och integrerade den i en liten gårobot. Tack vare sina tryckavkännande fingertoppar kunde den plocka upp olika föremål - en penna eller en tom vattenflaska av plast.

Systemet tryckte också en människoliknande hjärtstruktur med flera kammare. När det syntetiska hjärtat trycksattes pumpade det vätskor som dess biologiska motsvarighet.

Allt trycktes på en gång.

Nästa steg

Resultaten är fascinerande eftersom de känns som ett genombrott för en teknik som redan är i ett mogen tillstånd, Kong sade. Även om den är kommersiellt tillgänglig i årtionden, ger tekniken nytt liv bara genom att lägga till maskinseende.

"Spännande nog, dessa olika exempel trycktes med bara ett fåtal material," tillade han. Teamet strävar efter att utöka materialet de kan skriva ut med och direkt lägga till elektroniska sensorer för avkänning och rörelse under utskrift. Systemet kan också innehålla andra tillverkningsmetoder - till exempel spreja ett lager av biologiskt aktiva molekyler till ytan av händerna.

Robert Katzschmann, professor vid ETH Zürich och författare till den nya tidningen, är optimistisk om systemets bredare användning. "Du kan tänka på medicinska implantat ... [eller] använda detta för att prototypa saker inom vävnadsteknik," sa han. "Tekniken i sig kommer bara att växa."

Bildkredit: ETH Zürich/Thomas Buchner

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/