นักวิทยาศาสตร์ 3D พิมพ์มือหุ่นยนต์ที่ซับซ้อนซึ่งมีกระดูก เส้นเอ็น และเส้นเอ็น

นักวิทยาศาสตร์ 3D พิมพ์มือหุ่นยนต์ที่ซับซ้อนซึ่งมีกระดูก เส้นเอ็น และเส้นเอ็น

ประทับเวลา: 24 พฤศจิกายน 2023 10:00 น
นักวิทยาศาสตร์ 3D พิมพ์มือหุ่นยนต์ที่ซับซ้อนด้วยกระดูก เส้นเอ็น และเส้นเอ็น PlatoBlockchain Data Intelligence ค้นหาแนวตั้ง AI.

เราไม่ได้คิดทบทวนเกี่ยวกับการใช้มือตลอดทั้งวันสำหรับงานที่ยังขัดขวางหุ่นยนต์ที่มีความซับซ้อน เช่น การเทกาแฟโดยไม่หกเมื่อตื่นครึ่งทาง พับผ้าโดยไม่ทำให้ผ้าที่บอบบางขาด

ความซับซ้อนของมือของเราส่วนหนึ่งต้องขอบคุณ สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งมหัศจรรย์ของวิศวกรรมชีวภาพ: โครงกระดูกแข็งรักษารูปร่างและความสมบูรณ์ของมัน และปล่อยให้นิ้วรับน้ำหนัก เนื้อเยื่ออ่อน เช่น กล้ามเนื้อและเอ็น ให้ความคล่องตัว ต้องขอบคุณวิวัฒนาการที่ทำให้ "วัสดุชีวภาพ" เหล่านี้ประกอบขึ้นเองได้

การสร้างพวกมันขึ้นมาใหม่นั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง

นักวิทยาศาสตร์ได้ลองใช้การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือที่รู้จักกันในชื่อ พิมพ์ 3D—เพื่อสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนจากมือสู่หัวใจ แต่เทคโนโลยีสะดุดเมื่อรวมวัสดุหลายชนิดเข้าไว้ในกระบวนการพิมพ์เดียว ตัวอย่างเช่น การพิมพ์ 3 มิติด้วยมือหุ่นยนต์ต้องใช้เครื่องพิมพ์หลายเครื่อง เครื่องหนึ่งสร้างโครงกระดูก อีกเครื่องหนึ่งสำหรับวัสดุเนื้อเยื่ออ่อน และการประกอบชิ้นส่วน หลายขั้นตอนเหล่านี้จะเพิ่มเวลาและความซับซ้อนในการผลิต

นักวิทยาศาสตร์พยายามผสมผสานวัสดุต่างๆ เข้าด้วยกันเป็นกระบวนการพิมพ์ 3 มิติกระบวนการเดียวมานานแล้ว ทีมงานจากห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ ETH Zurich ได้พบหนทางแล้ว.

ทีมงานได้ติดตั้งเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท 3 มิติ ซึ่งใช้เทคโนโลยีเดียวกันกับเครื่องพิมพ์ในสำนักงานทั่วไป พร้อมด้วยวิชันซิสเต็ม ช่วยให้สามารถปรับให้เข้ากับวัสดุที่แตกต่างกันได้อย่างรวดเร็ว วิธีการนี้เรียกว่าการฉีดเจ็ตติ้งที่ควบคุมด้วยการมองเห็น โดยจะรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างของโครงสร้างในระหว่างการพิมพ์อย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับแต่งวิธีการพิมพ์ในเลเยอร์ถัดไป โดยไม่คำนึงถึงประเภทของวัสดุ

ในการทดสอบ ทีมงาน 3D พิมพ์มือสังเคราะห์ในครั้งเดียว มือประกอบด้วยโครงกระดูก เส้นเอ็น และเส้นเอ็น มือสามารถจับวัตถุต่างๆ ได้เมื่อ "รู้สึก" แรงกดดันที่ปลายนิ้ว

นอกจากนี้ พวกเขายังพิมพ์โครงสร้างแบบสามมิติด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เช่น หัวใจมนุษย์ พร้อมด้วยห้องต่างๆ วาล์วทางเดียว และความสามารถในการสูบของเหลวในอัตราประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของหัวใจมนุษย์ที่เป็นผู้ใหญ่

การศึกษาครั้งนี้ “น่าประทับใจมาก” ดร.ยง ลิน คง จากมหาวิทยาลัยยูทาห์ ผู้ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้ แต่ เขียนคำอธิบายประกอบบอก ธรรมชาติ. เขากล่าวเสริมว่า การพิมพ์อิงค์เจ็ท 3 มิติเป็นเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่แล้ว แต่การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าวิชันซิสเต็มทำให้สามารถขยายขีดความสามารถของเทคโนโลยีไปสู่โครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นและวัสดุหลายชนิดได้

ปัญหาเกี่ยวกับการพิมพ์อิงค์เจ็ท 3D

การสร้างโครงสร้างใหม่โดยใช้วิธีการแบบเดิมๆ เป็นเรื่องที่น่าเบื่อและเกิดข้อผิดพลาดได้ง่าย วิศวกรหล่อแม่พิมพ์เพื่อสร้างรูปร่างที่ต้องการ เช่น โครงกระดูกของมือ จากนั้นจึงรวมโครงสร้างเริ่มต้นเข้ากับวัสดุอื่นๆ

เป็นกระบวนการที่ทำให้จิตใจมึนงงซึ่งต้องมีการสอบเทียบอย่างระมัดระวัง เช่นเดียวกับการติดตั้งประตูตู้ ข้อผิดพลาดใดๆ ก็ตามจะทำให้ไม่สมดุล สำหรับบางสิ่งที่ซับซ้อนพอๆ กับมือหุ่นยนต์ ผลลัพธ์ที่ได้ก็ค่อนข้างจะเป็นแฟรงเกนสไตน์

วิธีการแบบดั้งเดิมยังทำให้การรวมวัสดุที่มีคุณสมบัติต่างกันเป็นเรื่องยาก และมักจะขาดรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ที่จำเป็นในบางสิ่งที่ซับซ้อนพอๆ กับมือสังเคราะห์ ข้อจำกัดทั้งหมดนี้ทำให้มือหุ่นยนต์และโครงสร้างการทำงานอื่นๆ สามารถทำได้

จากนั้นการพิมพ์อิงค์เจ็ท 3 มิติก็เข้ามา เครื่องพิมพ์รุ่นทั่วไปเหล่านี้บีบวัสดุเรซินเหลวผ่านหัวฉีดที่ควบคุมแยกกันหลายแสนหัวฉีด เหมือนกับเครื่องพิมพ์ในสำนักงานที่พิมพ์ภาพถ่ายด้วยความละเอียดสูง เมื่อพิมพ์เลเยอร์แล้ว แสงยูวีจะ "เซ็ตตัว" เรซิน และเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง จากนั้นเครื่องพิมพ์ก็จะทำงานในชั้นถัดไป ด้วยวิธีนี้ เครื่องพิมพ์จะสร้างวัตถุ 3 มิติทีละชั้นในระดับจุลทรรศน์

แม้ว่าจะรวดเร็วและแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ แต่เทคโนโลยีก็ยังมีปัญหาอยู่ ยกตัวอย่างเช่น การผูกวัสดุต่างๆ เข้าด้วยกันได้ไม่ดีนัก ในการพิมพ์หุ่นยนต์เชิงฟังก์ชันแบบ 3 มิติ วิศวกรต้องพิมพ์ชิ้นส่วนด้วยเครื่องพิมพ์หลายเครื่องแล้วประกอบชิ้นส่วนหลังจากนั้น หรือพิมพ์โครงสร้างเริ่มต้น หล่อรอบๆ ชิ้นส่วน และเพิ่มประเภทวัสดุเพิ่มเติมที่มีคุณสมบัติที่ต้องการ

ข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งคือความหนาของแต่ละชั้นไม่เท่ากันเสมอไป ความแตกต่างของความเร็วของ "หมึก" การรบกวนระหว่างหัวฉีด และการหดตัวระหว่างกระบวนการ "ตั้งค่า" ล้วนทำให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อย แต่ความไม่สอดคล้องกันเหล่านี้จะเพิ่มเลเยอร์มากขึ้น ส่งผลให้วัตถุทำงานผิดปกติและการพิมพ์ล้มเหลว

วิศวกรแก้ไขปัญหานี้ด้วยการเพิ่มใบมีดหรือลูกกลิ้ง เช่นเดียวกับการราบเรียบคอนกรีตที่เพิ่งวางใหม่ระหว่างงานซ่อมถนน ขั้นตอนนี้จะปรับระดับแต่ละชั้นก่อนที่ชั้นถัดไปจะเริ่มทำงาน น่าเสียดายที่วิธีแก้ปัญหานี้มาพร้อมกับปัญหาอื่นๆ ที่น่าปวดหัว เนื่องจากลูกกลิ้งเข้ากันได้กับวัสดุบางชนิดเท่านั้น บางวัสดุอาจเกาะที่มีดโกน จึงจำกัดขอบเขตของวัสดุที่สามารถใช้ได้

จะเป็นอย่างไรถ้าเราไม่ต้องการขั้นตอนนี้เลย?

จับตาดูรางวัล

วิธีแก้ปัญหาของทีมคือวิชันซิสเต็ม แทนที่จะขูดวัสดุส่วนเกินออกไป การสแกนแต่ละชั้นในขณะที่กำลังพิมพ์จะช่วยให้ระบบตรวจจับและชดเชยข้อผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ในแบบเรียลไทม์

ระบบวิชันซิสเต็มใช้กล้องสี่ตัวและเลเซอร์สองตัวในการสแกนพื้นผิวการพิมพ์ทั้งหมดด้วยความละเอียดระดับจุลภาค

กระบวนการนี้ช่วยให้เครื่องพิมพ์แก้ไขตัวเองได้ ทีมงานอธิบาย เมื่อทำความเข้าใจว่ามีวัสดุมากเกินไปหรือน้อยเกินไป เครื่องพิมพ์สามารถเปลี่ยนปริมาณหมึกที่สะสมในชั้นถัดไป โดยพื้นฐานแล้วเป็นการเติมเต็ม "หลุมบ่อ" ก่อนหน้านี้ ผลลัพธ์ที่ได้คือระบบการพิมพ์ 3 มิติที่ทรงพลัง โดยไม่จำเป็นต้องขูดวัสดุเพิ่มเติมออก

นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่มีการใช้เครื่องวิชันซิสเต็มในเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แต่ระบบใหม่สามารถสแกนได้เร็วกว่าระบบเก่าถึง 660 เท่า และสามารถวิเคราะห์รูปร่างทางกายภาพของโครงสร้างที่กำลังเติบโตได้ในเวลาไม่ถึงหนึ่งวินาที Kong เขียน ซึ่งช่วยให้เครื่องพิมพ์ 3D สามารถเข้าถึงคลังวัสดุที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก รวมถึงสารที่รองรับโครงสร้างที่ซับซ้อนในระหว่างการพิมพ์ แต่จะถูกลบออกในภายหลัง

การแปล? ระบบสามารถพิมพ์หุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพรุ่นใหม่ได้เร็วกว่าเทคโนโลยีก่อนหน้านี้มาก

ในการทดสอบ ทีมงานพิมพ์มือสังเคราะห์ด้วยวัสดุสองประเภท ได้แก่ วัสดุแข็งที่รับน้ำหนักทำหน้าที่เป็นโครงกระดูก และวัสดุอ่อนที่โค้งงอได้เพื่อสร้างเส้นเอ็นและเอ็น พวกเขาพิมพ์ช่องต่างๆ ทั่วทั้งมือเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวด้วยแรงดันอากาศ และในขณะเดียวกันก็รวมเมมเบรนไว้เพื่อรับรู้การสัมผัส ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือปลายนิ้ว

พวกเขาประสานมือเข้ากับอุปกรณ์ไฟฟ้าภายนอกและรวมเข้ากับหุ่นยนต์เดินได้ตัวเล็ก ๆ ด้วยปลายนิ้วที่รับรู้แรงกด ทำให้สามารถหยิบสิ่งของต่างๆ ได้ เช่น ปากกาหรือขวดน้ำพลาสติกเปล่า

ระบบยังพิมพ์โครงสร้างหัวใจคล้ายมนุษย์ที่มีหลายห้อง เมื่อสร้างแรงดันให้กับหัวใจสังเคราะห์ มันจะสูบของเหลวเช่นเดียวกับสารชีวภาพ

ทุกอย่างถูกพิมพ์ในครั้งเดียว

ขั้นตอนถัดไป

ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่งมากเพราะพวกเขารู้สึกเหมือนเป็นความก้าวหน้าของเทคโนโลยีที่อยู่ในสถานะที่สมบูรณ์แล้วกง กล่าวว่า. แม้ว่ามีจำหน่ายในท้องตลาดมานานหลายทศวรรษ แต่การเพิ่มวิชันซิสเต็มก็ช่วยให้เทคโนโลยีมีชีวิตใหม่ได้

“เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่ตัวอย่างที่หลากหลายเหล่านี้พิมพ์โดยใช้วัสดุเพียงไม่กี่อย่าง” เขากล่าวเสริม ทีมงานมีเป้าหมายที่จะขยายวัสดุที่สามารถพิมพ์ได้ และเพิ่มเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์โดยตรงสำหรับการตรวจจับและการเคลื่อนไหวระหว่างการพิมพ์ ระบบยังสามารถรวมวิธีการประดิษฐ์อื่นๆ เข้าด้วยกัน เช่น การพ่นชั้นของโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพไปที่พื้นผิวของมือ

Robert Katzschmann ศาสตราจารย์ที่ ETH Zurich และผู้เขียนรายงานฉบับใหม่ มองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับการใช้งานในวงกว้างของระบบ “คุณอาจนึกถึงการปลูกถ่ายทางการแพทย์…[หรือ] ใช้สิ่งนี้เพื่อสร้างต้นแบบสิ่งต่าง ๆ ในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ” เขากล่าว “เทคโนโลยีจะเติบโตขึ้นเท่านั้น”

เครดิตรูปภาพ: ETH Zurich/Thomas Buchner

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์