Oamenii de știință imprimă 3D o mână robotică cu oase și tendoane asemănătoare omului

Te-ai întrebat vreodată de ce roboții nu pot să meargă și să-și miște corpurile la fel de fluid ca noi? niste roboții pot să alerge, să sară sau să danseze cu o eficiență mai mare decât oamenii, dar mișcările corpului lor par și ele mecanice. Motivul pentru aceasta constă în oasele care le lipsesc.

Spre deosebire de oameni și animale, roboții nu au oase reale sau țesuturile flexibile care îi leagă; au legături și îmbinări artificiale realizate din materiale precum fibra de carbon și tuburi metalice. Potrivit lui Robert Katzschmann, profesor de robotică la ETH Zurich, aceste structuri interne permit unui robot să facă mișcări, să apuce obiecte și să mențină diferite posturi. Cu toate acestea, deoarece legăturile și îmbinările sunt alcătuite din materiale dure, corpurile robotului nu sunt la fel de flexibile, agile și moi ca corpurile umane. Acesta este ceea ce le face mișcările corpului atât de rigide.

Dar s-ar putea să nu fie nevoie să rămână rigizi mult timp. O echipă de cercetători de la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie (ETH) Zurich și startup-ul american Inkbit au descoperit o modalitate de a imprima 3D prima mână robotică din lume cu o structură internă compusă din oase, ligamente și tendoane asemănătoare omului. Ceea ce face mâna și mai specială este că a fost imprimată folosind o metodă complet nouă de depunere cu jet de cerneală 3D, numită jet controlat prin viziune (VCJ).

Imprimarea 3D vs. roboți

În prezent, roboții care sunt imprimați 3D sunt de obicei fabricați folosind poliacrilați cu întărire rapidă. Acești polimeri sunt durabili și se solidifică rapid în timpul depunerii. Cu toate acestea, pentru a evita orice nereguli, „Fiecare strat imprimat necesită o planarizare mecanică [the process of smoothing an uneven surface by using mechanical force]ceea ce limitează nivelurile de moliciune și tipul de substanțe chimice ale materialelor care pot fi utilizate,” cercetătorii Notă. Acesta este motivul pentru care standard Roboți imprimați 3D nu sunt foarte elastice și sunt limitate în forme și materiale.

Datorită solidificării rapide a materialului imprimat, oamenii de știință nu au timp să facă modificări în diferite straturi și trebuie să utilizați etape de producție separate și asamblarea pentru realizarea diferitelor componente ale unui singur robot. Odată ce au terminat de imprimat fiecare parte, ei asamblează aceste piese diferite și le testează temeinic, făcând procesul consumator de timp și obositor.

Aici metoda VCJ propusă poate face o diferență uriașă. Acest printare 3d procesul a implicat utilizarea de polimeri tiolen moi, cu întărire lentă. „Aceștia au proprietăți elastice foarte bune și revin la starea inițială mult mai repede după îndoire decât poliacrilații.” a spus Katzschmann, unul dintre autorii unei noi lucrări care descrie noua metodă.

Regândirea imprimării 3D pentru roboți

Într-un sistem VCJ, împreună cu o imprimantă 3D, există un scaner laser 3D care inspectează vizual fiecare strat pentru nereguli ale suprafeței pe măsură ce este depus. „Această inspecție vizuală face ca procesul de imprimare să fie complet fără contact, permițând depunerea unei game mai largi de polimeri posibili. Noi, de exemplu, am imprimat cu polimeri pe bază de tiol, deoarece ne-a permis să creăm structuri rezistente la lumină UV și umiditate”, a spus Katzschmann pentru Ars Technica.

După scanare, nu există o planarizare mecanică a stratului depus. În schimb, următorul strat este imprimat în așa fel încât să compenseze toate neregulile din stratul anterior. „Un mecanism de feedback compensează aceste nereguli la imprimarea următorului strat prin calcularea oricăror ajustări necesare ale cantității de material care urmează să fie imprimată în timp real și cu o acuratețe maximă.” a spus Wojciech Matusik, unul dintre autorii studiului și profesor de informatică la MIT.

Mai mult, cercetătorii susțin că acest sistem controlat în buclă închisă le permite să imprime dintr-o dată structura completă a unui robot. „Mâna noastră robotică poate fi imprimată dintr-o singură mișcare, nu este nevoie de asamblare. Acest lucru accelerează enorm procesul de proiectare inginerească – se poate trece direct de la o idee la un prototip funcțional și durabil. Evitați sculele intermediare costisitoare și asamblarea”, a adăugat Katzschmann.

Folosind tehnica VCJ, cercetătorii au tipărit cu succes o mână robotică care are structuri interne similare cu cele ale unei mâini umane. Echipată cu touchpad și senzori de presiune, mâna robotică are 19 structuri asemănătoare tendoanelor (la om, tendoanele sunt țesuturile conjunctive fibroase care leagă oasele și mușchii) care îi permit să miște încheietura mâinii și degetele. Mâna poate simți atingerea, poate apuca lucruri și poate opri degetele atunci când ating ceva. (Cercetătorii au folosit date RMN de la o mână umană reală pentru a modela construcția acesteia.)

Viitorul VCJ

Pe lângă mână, au imprimat și o inimă robotică, un robot cu șase picioare și un metamaterial capabil să absoarbă vibrațiile din împrejurimile sale. Cercetătorii sugerează că toți acești roboți funcționează ca sisteme hibride moi-rigide (roboți care sunt fabricați atât din materiale moi, cât și din materiale dure) care pot depăși roboții duri în ceea ce privește flexibilitatea și pot depăși problemele legate de proiectare și scară cu care se confruntă. roboți moi.

Deoarece roboții moi sunt fabricați din materiale flexibile, cum ar fi fluide sau elastomeri, este dificil pentru oamenii de știință să-și mențină geometria și rezistența la scară mai mare, deoarece materialele pot se luptă să reţină proprietățile lor fizice și integritatea structurală. În plus, este mult mai ușor să controlezi și să alimentezi un robot moale la scară de centimetri sau milimetri; de aceea sunt făcute mai mici. VCJ, pe de altă parte, are potențialul de a da naștere unor roboți hibrizi scalabili și rigidi.

„Prevăzăm că VCJ va înlocui în cele din urmă toate metodele de imprimare cu jet de cerneală pe bază de contact. Cu VCJ puteți începe să produceți piese funcționale pentru robotică, implanturi medicale și diverse alte industrii. Rezoluția înaltă, proprietățile adecvate ale materialului și durata lor lungă de viață fac ca imprimările din sistemul VCJ să fie foarte utile atât pentru cercetare, cât și pentru aplicații comerciale”, a declarat Katzschmann pentru Ars Technica.

Natura, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06684-3 (Despre DOI)

Rupendra Brahambhatt este un jurnalist și regizor cu experiență. El acoperă știri despre știință și cultură și, în ultimii cinci ani, a lucrat activ cu unele dintre cele mai inovatoare agenții de știri, reviste și mărci media care operează în diferite părți ale globului.