Bilim İnsanları Kemikler, Tendonlar ve Bağlardan Oluşan Karmaşık Bir Robotik Eli 3D Yazdırıyor

Bilim İnsanları Kemikler, Tendonlar ve Bağlardan Oluşan Karmaşık Bir Robotik Eli 3D Yazdırıyor

Zaman Damgası: 24 Kasım 2023 10:00
Bilim İnsanları Kemikler, Tendonlar ve Bağlar ile Karmaşık Bir Robotik Elin 3D Baskısını Yapıyor PlatoBlockchain Veri Zekası. Dikey Arama. Ai.

Yarı uyanıkken kahveyi dökmeden dökmek, narin kumaşları yırtmadan çamaşırları katlamak gibi gelişmiş robotları hâlâ engelleyen görevler için gün boyunca ellerimizi kullanmak konusunda iki kez düşünmüyoruz.

Ellerimizin karmaşıklığı kısmen teşekkürümüzdür. Biyoloji mühendisliği harikasıdırlar: Sert iskelet şeklini ve bütünlüğünü korur ve parmakların ağırlığı taşımasını sağlar. Kaslar ve bağlar gibi yumuşak dokular onlara el becerisi kazandırır. Evrim sayesinde tüm bu “biyomateryaller” kendi kendine bir araya geliyor.

Bunları yapay olarak yeniden yaratmak başka bir konudur.

Bilim insanları, daha çok bilinen adıyla katmanlı üretimi kullanmaya çalıştılar. 3D baskı—ellerden kalplere kadar karmaşık yapıları yeniden yaratmak. Ancak birden fazla malzemeyi tek bir baskı işlemine entegre ederken teknoloji tökezliyor. Örneğin robotik bir elin 3 boyutlu olarak basılması, birden fazla yazıcı (biri iskeleti yapmak için, diğeri yumuşak doku malzemeleri için) ve parçaların montajını gerektirir. Bu çoklu adımlar üretim süresini ve karmaşıklığını artırır.

Bilim insanları uzun süredir farklı malzemeleri tek bir 3D baskı sürecinde birleştirmenin yollarını arıyor. ETH Zürih'teki yumuşak robotik laboratuvarından bir ekip bir yol buldu.

Ekip, normal ofis yazıcılarıyla aynı teknolojiyi temel alan bir 3D mürekkep püskürtmeli yazıcıyı makine görüşüyle ​​donatarak, yazıcının farklı malzemelere hızla uyum sağlamasına olanak sağladı. Görüntü kontrollü püskürtme adı verilen yaklaşım, malzemenin türüne bakılmaksızın bir sonraki katmanı nasıl yazdıracağının ince ayarını yapmak için yazdırma sırasında sürekli olarak bir yapının şekli hakkında bilgi topluyor.

Ekip, yapılan bir testte tek seferde sentetik bir elin 3D baskısını aldı. İskelet, bağlar ve tendonlarla tamamlanan el, parmak uçlarında baskıyı "hissedince" farklı nesneleri kavrayabilir.

Ayrıca odacıklar, tek yönlü valfler ve yetişkin bir insan kalbinin kabaca yüzde 3'ı oranında sıvı pompalama yeteneği ile tamamlanmış, insan kalbi gibi bir yapıyı da 40D olarak bastılar.

Çalışmada yer almayan ancak Utah Üniversitesi'nden Dr. Yong Lin Kong, çalışmanın "çok etkileyici" olduğunu söyledi. eşlik eden bir yorum yazdıSöyledim, Tabiat. 3D inkjet baskının zaten olgun bir teknoloji olduğunu ekledi, ancak bu çalışma, makine görüşünün, teknolojinin yeteneklerini daha karmaşık yapılara ve birden fazla malzemeye genişletmeyi mümkün kıldığını gösteriyor.

3D Mürekkep Püskürtmeli Baskı Sorunu

Geleneksel yöntemleri kullanarak bir yapıyı yeniden oluşturmak sıkıcı ve hataya açıktır. Mühendisler istenen şekli (mesela bir elin iskeletini) oluşturmak için bir kalıba döküyorlar ve ardından ilk yapıyı diğer malzemelerle birleştiriyor.

Dikkatli kalibrasyon gerektiren, zihin uyuşturan bir süreçtir. Bir dolap kapısının takılması gibi, herhangi bir hata onu dengesiz bırakır. Robot eli kadar karmaşık bir şey için sonuçlar oldukça Frankenstein olabilir.

Geleneksel yöntemler aynı zamanda farklı özelliklere sahip malzemeleri birleştirmeyi de zorlaştırıyor ve sentetik el gibi karmaşık bir şeyin gerektirdiği ince ayrıntılardan yoksun olma eğilimindeler. Tüm bu sınırlamalar, robotik bir elin ve diğer işlevsel yapıların yapabileceklerini dizginliyor.

Daha sonra 3D inkjet baskı ortaya çıktı. Bu yazıcıların yaygın versiyonları, sıvı reçine malzemesini yüzbinlerce ayrı ayrı kontrol edilen püskürtme uçlarından sıkıştırır; tıpkı bir ofis yazıcısının yüksek çözünürlükte fotoğraf basması gibi. Bir katman basıldığında, UV ışığı reçineyi "sabitler" ve onu sıvıdan katıya dönüştürür. Daha sonra yazıcı bir sonraki katman üzerinde çalışmaya başlar. Bu şekilde yazıcı, mikroskobik düzeyde katman katman 3 boyutlu bir nesne oluşturur.

İnanılmaz derecede hızlı ve hassas olmasına rağmen teknolojinin kendi sorunları var. Örneğin farklı malzemeleri birbirine bağlama konusunda pek iyi değil. İşlevsel bir robotu 3D olarak basmak için mühendislerin ya parçaları birden fazla yazıcıyla basması ve daha sonra birleştirmesi gerekiyor ya da bir başlangıç ​​yapısını yazdırıp parçanın çevresini şekillendirip istenen özelliklere sahip ek malzeme türleri ekleyebilirler.

Bir ana dezavantaj, her katmanın kalınlığının her zaman aynı olmamasıdır. "Mürekkep hızındaki farklılıklar", püskürtme uçları arasındaki girişim ve "ayarlama" işlemi sırasındaki büzülmelerin tümü küçük farklılıklara neden olabilir. Ancak bu tutarsızlıklar daha fazla katmanın oluşmasına neden olarak nesnelerin hatalı çalışmasına ve yazdırma hatasına neden olur.

Mühendisler bu sorunu bir bıçak veya rulo ekleyerek çözerler. Yol çalışması sırasında yeni döşenen betonun düzleştirilmesi gibi, bu adım da bir sonraki başlamadan önce her katmanı düzleştirir. Çözüm ne yazık ki başka baş ağrılarını da beraberinde getiriyor. Silindirler yalnızca bazı malzemelerle uyumlu olduğundan (diğerleri kazıyıcıyı tıkadığından) kullanılabilecek malzeme aralığını sınırlarlar.

Peki ya bu adıma hiç ihtiyacımız yoksa?

Ödülü Gözler

Ekibin çözümü makine görüşüdür. Fazladan malzemeyi kazımak yerine, her katmanı yazdırırken taramak, sistemin küçük hataları gerçek zamanlı olarak tespit etmesine ve telafi etmesine yardımcı olur.

Makine görüş sistemi, tüm baskı yüzeyinin mikroskobik çözünürlükte taranması için dört kamera ve iki lazer kullanır.

Ekip, bu sürecin yazıcının kendi kendini düzeltmesine yardımcı olduğunu açıkladı. Yazıcı, malzemenin nerede çok fazla veya çok az olduğunu anlayarak bir sonraki katmanda biriken mürekkep miktarını değiştirebilir ve esas olarak önceki "çukurları" doldurabilir. Sonuç, fazladan malzemenin kazınmasına gerek olmayan güçlü bir 3D baskı sistemidir.

Bu, makine görüşünün 3D yazıcılarda kullanıldığı ilk sefer değil. Ancak Kong, yeni sistemin eski sistemlerden 660 kat daha hızlı tarayabildiğini ve büyüyen yapının fiziksel şeklini bir saniyeden daha kısa sürede analiz edebildiğini yazdı. Bu, 3D yazıcının, yazdırma sırasında karmaşık yapıları destekleyen ancak daha sonra kaldırılan maddeler de dahil olmak üzere çok daha geniş bir malzeme kitaplığına erişmesine olanak tanır.

Tercüme? Sistem, yeni nesil biyo-esinli robotları önceki teknolojilerden çok daha hızlı bir şekilde basabiliyor.

Ekip, bir test olarak iki tür malzemeden sentetik bir el bastı: iskelet görevi görecek sert, yük taşıyan bir malzeme ve tendon ve bağları oluşturmak için yumuşak, bükülebilir bir malzeme. Hareketini hava basıncıyla kontrol etmek için el boyunca kanallar bastılar ve aynı zamanda dokunmayı (esasen parmak uçlarını) hissetmek için bir zar entegre ettiler.

Elleri harici elektrikli bileşenlere bağladılar ve onu küçük bir yürüyen robota entegre ettiler. Basınca duyarlı parmak uçları sayesinde kalem veya boş plastik su şişesi gibi farklı nesneleri alabiliyordu.

Sistem ayrıca birden fazla odacığa sahip insan benzeri bir kalp yapısı da bastı. Sentetik kalbe basınç uygulandığında biyolojik benzeri gibi sıvıları pompaladı.

Her şey tek seferde basıldı.

Sonraki Adımlar

Sonuçlar büyüleyici çünkü zaten olgunlaşmış bir teknoloji için bir atılım gibi görünüyorlar, Kong şuraya. Onlarca yıldır ticari olarak mevcut olmasına rağmen, yalnızca makine görüşünün eklenmesi teknolojiye yeni bir hayat veriyor.

"Heyecan verici bir şekilde, bu çeşitli örnekler yalnızca birkaç malzeme kullanılarak basıldı" diye ekledi. Ekip, baskı yapabilecekleri malzemeleri genişletmeyi ve baskı sırasında algılama ve hareket için doğrudan elektronik sensörler eklemeyi hedefliyor. Sistem aynı zamanda başka üretim yöntemlerini de içerebilir; örneğin, biyolojik olarak aktif moleküllerden oluşan bir tabakanın el yüzeyine püskürtülmesi.

ETH Zürih'te profesör ve yeni makalenin yazarı Robert Katzschmann, sistemin daha geniş kullanımı konusunda iyimser. "Tıbbi implantları düşünebilirsiniz…[veya] bunu doku mühendisliğindeki şeylerin prototipini yapmak için kullanabilirsiniz" dedi. “Teknolojinin kendisi yalnızca büyüyecek.”

İmaj Kredisi: ETH Zürih/Thomas Buchner

Zaman Damgası:

Den fazla Tekillik Merkezi