Вчені створили 3D-друк складної роботизованої руки з кістками, сухожиллями та зв’язками

Вчені створили 3D-друк складної роботизованої руки з кістками, сухожиллями та зв’язками

Мітка часу: 24 листопада 2023 р., 10:00
Вчені надрукували на 3D-вимірі складну роботизовану руку з кістками, сухожиллями та зв’язками PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

Ми не думаємо двічі про те, щоб використовувати руки протягом дня для виконання завдань, які все ще заважають складним роботам — наливати каву, не проливши її в напівсплячому стані, складати білизну, не розриваючи делікатних тканин.

Частково завдячуємо складності наших рук. Вони є чудесами біологічної інженерії: твердий скелет зберігає їх форму та цілісність і дозволяє пальцям витримувати вагу. М'які тканини, такі як м'язи і зв'язки, надають їм спритність. Завдяки еволюції всі ці «біоматеріали» самозбираються.

Інша справа – відтворити їх штучно.

Вчені спробували застосувати адитивне виробництво, більш відоме як 3D друку—відтворити складні конструкції від рук до сердець. Але технологія спотикається під час інтеграції кількох матеріалів в один процес друку. Для 3D-друку роботизованої руки, наприклад, потрібні кілька принтерів — один для виготовлення скелета, інший — для матеріалів з м’яких тканин — і складання деталей. Ці кілька кроків збільшують час і складність виготовлення.

Вчені давно прагнули об’єднати різні матеріали в єдиний процес 3D-друку. Команда з лабораторії програмної робототехніки ETH Zurich знайшов спосіб.

Команда оснастила струменевий 3D-принтер, який базується на тій самій технології, що й звичайні офісні принтери, машинним зором, що дозволяє йому швидко адаптуватися до різних матеріалів. Цей підхід, який називається зорово-контрольованим струменем, постійно збирає інформацію про форму конструкції під час друку, щоб точно налаштувати спосіб друку наступного шару, незалежно від типу матеріалу.

У ході тесту команда одним рухом надрукувала синтетичну руку на 3D-друкі. Укомплектована скелетом, зв’язками та сухожиллями, рука може хапати різні предмети, коли «відчуває» тиск на кінчиках пальців.

Вони також надрукували на 3D-принтері структуру, схожу на людське серце, укомплектовану камерами, односторонніми клапанами та здатністю перекачувати рідину зі швидкістю приблизно 40 відсотків від серця дорослої людини.

Дослідження «дуже вражаюче», сказав доктор Йон Лін Конг з Університету Юти, який не брав участі в роботі, але написав супровідний коментар, Повідомив природа. Він додав, що 3D-струменевий друк — це вже зріла технологія, але це дослідження показує, що машинний зір дає змогу розширити можливості технології до більш складних структур і кількох матеріалів.

Проблема з 3D струменевим друком

Відтворення структури за допомогою звичайних методів є стомлюючим і схильним до помилок. Інженери відливають форму для формування потрібної форми, скажімо, скелета руки, а потім поєднують початкову структуру з іншими матеріалами.

Це приголомшливий процес, який вимагає ретельного калібрування. Подібно до установки дверей шафи, будь-які помилки залишають її перекошеною. Для чогось такого складного, як рука робота, результати можуть бути схожими на Франкенштейна.

Традиційні методи також ускладнюють об’єднання матеріалів з різними властивостями, і їм, як правило, бракує тонких деталей, необхідних для чогось такого складного, як синтетична рука. Усі ці обмеження спроможні зробити руку робота та інші функціональні структури.

Потім з’явився 3D струменевий друк. Звичайні версії цих принтерів видавлюють рідку смолу через сотні тисяч індивідуально керованих сопел, як офісний принтер, який друкує фотографію з високою роздільною здатністю. Після того, як шар надруковано, ультрафіолетове світло «закріплює» смолу, перетворюючи її з рідкої на тверду. Потім принтер починає працювати над наступним шаром. Таким чином принтер будує 3D-об’єкт, шар за шаром, на мікроскопічному рівні.

Хоча ця технологія неймовірно швидка і точна, вона має свої проблеми. Наприклад, він погано з’єднує різні матеріали. Для 3D-друку функціонального робота інженери повинні або надрукувати деталі за допомогою кількох принтерів, а потім зібрати їх, або вони можуть надрукувати початкову структуру, відлити навколо деталі та додати додаткові типи матеріалів із бажаними властивостями.

Одним з головних недоліків є те, що товщина кожного шару не завжди однакова. Різниця у швидкості «чорнила», перешкоди між соплами та усадка під час процесу «схоплювання» можуть спричинити незначні відмінності. Але ці невідповідності складаються з більшою кількістю шарів, що призводить до несправності об’єктів і збою друку.

Інженери вирішують цю проблему, додаючи лезо або ролик. Подібно до вирівнювання щойно укладеного бетону під час дорожніх робіт, цей етап вирівнює кожен шар перед початком наступного. Рішення, на жаль, пов’язане з іншими головними болями. Оскільки валики сумісні лише з деякими матеріалами (інші знищують скребок), вони обмежують діапазон матеріалів, які можна використовувати.

А якщо цей крок нам зовсім не потрібен?

Очі на приз

Рішення команди – машинний зір. Замість того, щоб видаляти зайвий матеріал, сканування кожного шару під час друку допомагає системі виявляти та компенсувати невеликі помилки в реальному часі.

Система машинного зору використовує чотири камери та два лазери для сканування всієї поверхні друку з мікроскопічною роздільною здатністю.

Цей процес допомагає принтеру самовиправлятися, пояснила команда. Розуміючи, де забагато або замало матеріалу, принтер може змінити кількість чорнила, нанесеного на наступний шар, фактично заповнюючи попередні «вибоїни». Результатом є потужна система 3D-друку, у якій не потрібно зішкребти зайвий матеріал.

Це не перший раз, коли машинний зір використовується в 3D-принтерах. Але нова система може сканувати в 660 разів швидше, ніж старі, і вона може аналізувати фізичну форму зростаючої структури менш ніж за секунду, написав Конг. Це дозволяє 3D-принтеру отримати доступ до набагато більшої бібліотеки матеріалів, включаючи речовини, які підтримують складні структури під час друку, але пізніше видаляються.

Переклад? Система може надрукувати нове покоління роботів, створених за біотехнологією, набагато швидше, ніж будь-які попередні технології.

У якості тесту команда надрукувала синтетичну руку з двох типів матеріалів: жорсткого матеріалу, що несуть навантаження, який виконує роль скелета, і м’якого матеріалу, що згинається, для виготовлення сухожиль і зв’язок. Вони надрукували канали по всій руці, щоб контролювати її рух за допомогою тиску повітря, і в той же час інтегрували мембрану для відчуття дотику — по суті, кінчиків пальців.

Вони підключили руку до зовнішніх електричних компонентів і інтегрували її в маленького крокуючого робота. Завдяки кінчикам пальців із датчиком тиску він міг брати різні предмети — ручку чи порожню пластикову пляшку з водою.

Система також надрукувала людську структуру серця з кількома камерами. Під час тиску на синтетичне серце воно перекачувало рідини, як його біологічний аналог.

Все було надруковано за один раз.

Наступні кроки

Результати захоплюючі, тому що вони схожі на прорив для технології, яка вже перебуває в зрілому стані, Конг сказав. Хоча комерційно доступні протягом десятиліть, лише додавання машинного зору дає технології нове життя.

«Дивно, що ці різноманітні приклади були надруковані з використанням лише кількох матеріалів», — додав він. Команда прагне розширити кількість матеріалів, за допомогою яких можна друкувати, і безпосередньо додати електронні датчики для сприйняття та руху під час друку. Система також може включати інші методи виготовлення — наприклад, розпилення шару біологічно активних молекул на поверхню рук.

Роберт Кацшманн, професор ETH Zurich і автор нової статті, оптимістично налаштований щодо ширшого використання системи. «Ви можете подумати про медичні імплантати… [або] використовувати це для створення прототипів у тканинній інженерії», — сказав він. «Сама технологія буде тільки розвиватися».

Авторство зображення: ETH Zurich/Thomas Buchner

Часова мітка:

Більше від Хаб сингулярності