科学家 3D 打印出带有骨骼、肌腱和韧带的复杂机械手

我们会毫不犹豫地全天用双手完成一些复杂的机器人仍然无法完成的任务——在半醒时倒咖啡而不溢出，叠衣服而不撕破精致的织物。

部分原因在于我们双手的复杂性。 它们是生物工程的奇迹：坚硬的骨骼保持其形状和完整性，并让手指承受重量。 肌肉和韧带等软组织赋予他们灵活性。 由于进化，所有这些“生物材料”都能自我组装。

人工重新创造它们是另一回事。

科学家们尝试使用增材制造——更广为人知的名称是 3D印刷——重建从手到心的复杂结构。 但当将多种材料集成到一个打印过程中时，这项技术就会出现问题。 例如，3D 打印机械手需要多台打印机（一台用于制造骨骼，另一台用于软组织材料）以及部件的组装。 这些多个步骤增加了制造时间和复杂性。

长期以来，科学家们一直寻求将不同的材料组合到单一的 3D 打印过程中。 来自苏黎世联邦理工学院软机器人实验室的团队 已经找到办法了.

该团队为 3D 喷墨打印机（基于与普通办公打印机相同的技术）配备了机器视觉，使其能够快速适应不同的材料。 这种方法称为视觉控制喷射，在打印过程中不断收集有关结构形状的信息，以微调打印下一层的方式，无论材料类型如何。

在一次测试中，该团队一次性 3D 打印了一只合成手。 手具有骨骼、韧带和肌腱，当指尖“感受到”压力时，可以抓住不同的物体。

他们还 3D 打印了一种类似人类心脏的结构，配有心室、单向阀，并且能够以大约成年人心脏 40% 的速度泵送液体。

犹他大学的 Yong Lin Kong 博士表示，这项研究“非常令人印象深刻”，他没有参与这项工作，但 写了一篇附带的评论告诉 自然。 他补充说，3D 喷墨打印已经是一项成熟的技术，但这项研究表明，机器视觉可以将该技术的功能扩展到更复杂的结构和多种材料。

3D 喷墨打印的问题

使用传统方法重新创建结构既乏味又容易出错。 工程师铸造模具以形成所需的形状（例如手的骨骼），然后将初始结构与其他材料结合起来。

这是一个令人头脑麻木的过程，需要仔细校准。 就像安装柜门一样，任何错误都会使其不平衡。 对于像机器人手这样复杂的东西，结果可能相当弗兰肯斯坦。

传统方法也很难将具有不同特性的材料结合在一起，而且它们往往缺乏像合成手这样复杂的东西所需的精细细节。 所有这些限制限制了机械手和其他功能结构的能力。

然后3D喷墨打印出现了。 这些打印机的常见版本通过数十万个单独控制的喷嘴挤压液态树脂材料，就像办公室打印机打印高分辨率照片一样。 一旦打印了一层，紫外线就会“凝固”树脂，将其从液体变成固体。 然后打印机开始打印下一层。 通过这种方式，打印机在微观层面上逐层构建 3D 物体。

尽管速度快且精确，但该技术也存在问题。 例如，它不擅长将不同的材料粘合在一起。 要 3D 打印功能机器人，工程师必须使用多台打印机打印零件，然后组装它们，或者他们可以打印初始结构，围绕零件铸造，并添加具有所需属性的其他类型的材料。

一个主要缺点是每一层的厚度并不总是相同。 “墨水”速度的差异、喷嘴之间的干扰以及“定型”过程中的收缩都会导致微小的差异。 但这些不一致会叠加更多层，导致对象出现故障和打印失败。

工程师通过添加刀片或滚筒来解决这个问题。 就像在道路施工期间压平新铺设的混凝土一样，此步骤在下一层开始之前平整每一层。 不幸的是，该解决方案还带来了其他令人头痛的问题。 由于滚筒仅与某些材料兼容（其他材料会粘在刮刀上），因此它们限制了可以使用的材料范围。

如果我们根本不需要这一步怎么办？

看奖

该团队的解决方案是机器视觉。 在打印时扫描每一层，而不是刮掉多余的材料，可以帮助系统实时检测和补偿小错误。

机器视觉系统使用四个摄像头和两个激光器以微观分辨率扫描整个印刷表面。

该团队解释说，这个过程可以帮助打印机进行自我纠正。 通过了解哪里的材料太多或太少，打印机可以改变沉积在下一层的墨水量，基本上填补以前的“坑洼”。 其结果是一个强大的 3D 打印系统，不需要刮掉多余的材料。

这并不是机器视觉第一次用于 3D 打印机。 但新系统的扫描速度比旧系统快 660 倍，并且可以在不到一秒的时间内分析生长结构的物理形状，Kong 写道。 这使得 3D 打印机能够访问更大的材料库，包括在打印过程中支持复杂结构但随后被删除的物质。

翻译？ 该系统可以比以前的任何技术更快地打印新一代仿生机器人。

作为测试，该团队使用两种材料打印了一只合成手：一种用作骨骼的刚性承重材料和一种柔软的可弯曲材料，用于制作肌腱和韧带。 他们在整个手上打印了通道，以通过气压控制其运动，同时集成了一个薄膜来感应触摸（本质上是指尖）。

他们将手连接到外部电气元件并将其集成到一个小型步行机器人中。 由于其压力感应指尖，它可以拾取不同的物体——一支笔或一个空的塑料水瓶。

该系统还打印了一个具有多个心室的类人心脏结构。 当对人造心脏加压时，它会像生物心脏一样泵送液体。

所有内容都一次性打印出来。

下一步

Kong 表示，结果令人着迷，因为它们感觉像是一项已经处于成熟状态的技术的突破 说过。 尽管商业化已有数十年，但仅通过添加机器视觉就赋予了该技术新的生命。

“令人兴奋的是，这些不同的例子只用几种材料打印出来，”他补充道。 该团队的目标是扩展可打印的材料，并直接添加电子传感器以在打印过程中进行传感和移动。 该系统还可以结合其他制造方法，例如，在手的表面喷涂一层生物活性分子。

苏黎世联邦理工学院教授、这篇新论文的作者罗伯特·卡茨施曼 (Robert Katzschmann) 对该系统的更广泛使用持乐观态度。 “你可以想到医疗植入物……[或]用它来制作组织工程中的原型，”他说。 “技术本身只会增长。”

图片来源：苏黎世联邦理工学院/Thomas Buchner

• SEO 支持的内容和 PR 分发。 今天得到放大。
• PlatoData.Network 垂直生成人工智能。 赋予自己力量。 访问这里。
• 柏拉图爱流。 Web3 智能。 知识放大。 访问这里。
• 柏拉图ESG。 碳， 清洁科技, 能源， 环境， 太阳能， 废物管理。 访问这里。
• 柏拉图健康。 生物技术和临床试验情报。 访问这里。
• Sumber: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/