Emme ajattele kahta kertaa käyttääksemme käsiämme koko päivän tehtäviin, jotka edelleen estävät kehittyneitä robotteja – kahvin kaataminen ilman läikkymistä puolivalvoissamme, pyykin taittaminen repimättä herkkiä kankaita.

Käsiemme monimutkaisuus on osittain kiitosta. Ne ovat biologisen tekniikan ihmeitä: Kova luuranko säilyttää muotonsa ja eheytensä ja antaa sormien kantaa painoa. Pehmeät kudokset, kuten lihakset ja nivelsiteet, antavat niille kätevyyttä. Evoluution ansiosta kaikki nämä "biomateriaalit" kokoontuvat itsestään.

Niiden luominen uudelleen keinotekoisesti on toinen asia.

Tiedemiehet ovat yrittäneet käyttää lisäainevalmistusta, joka tunnetaan paremmin nimellä 3D tulostus-luoda uudelleen monimutkaisia ​​rakenteita käsistä sydämiin. Mutta tekniikka kompastuu, kun integroidaan useita materiaaleja yhdeksi painoprosessiksi. Esimerkiksi robottikäden 3D-tulostus vaatii useita tulostimia – yhden luurangon valmistukseen, toisen pehmytkudosmateriaaleille – ja osien kokoamisen. Nämä useat vaiheet lisäävät valmistusaikaa ja monimutkaisuutta.

Tiedemiehet ovat pitkään pyrkineet yhdistämään erilaisia ​​materiaaleja yhdeksi 3D-tulostusprosessiksi. Tiimi ETH Zürichin pehmeän robotiikan laboratoriosta on löytänyt keinon.

Tiimi varusti 3D-mustesuihkutulostimen – joka perustuu samaan tekniikkaan kuin tavallisissa toimistotulostimissa – konenäköllä, jonka ansiosta se mukautuu nopeasti erilaisiin materiaaleihin. Näköohjatuksi suihkutukseksi kutsuttu lähestymistapa kerää jatkuvasti tietoa rakenteen muodosta tulostuksen aikana hienosäätääkseen, kuinka se tulostaa seuraavan kerroksen materiaalityypistä riippumatta.

Testissä 3D-tiimi tulosti synteettisen käden yhdellä kertaa. Rungon, nivelsiteiden ja jänteiden ansiosta käsi voi tarttua erilaisiin esineisiin, kun se "tuntuu" paineen sormenpäistään.

He myös 3D-tulostivat ihmissydämen kaltaisen rakenteen, jossa on kammiot, yksisuuntaiset venttiilit ja kyky pumpata nestettä nopeudella, joka vastaa noin 40 prosenttia aikuisen ihmisen sydämestä.

Tutkimus on "erittäin vaikuttava", tohtori Yong Lin Kong Utahin yliopistosta, joka ei ollut mukana työhön, mutta kirjoitti oheisen kommentin, Kertoi luonto. 3D-mustesuihkutulostus on jo kypsä tekniikka, hän lisäsi, mutta tämä tutkimus osoittaa, että konenäkö mahdollistaa tekniikan kyvyn laajentamisen monimutkaisempiin rakenteisiin ja useisiin materiaaleihin.

Ongelma 3D-mustesuihkutulostuksen kanssa

Rakenteen uudelleenluominen perinteisillä menetelmillä on työlästä ja virhealtista. Insinöörit valtavat muotin halutun muodon muodostamiseksi – esimerkiksi käden luuranko – ja yhdistävät sitten alkuperäisen rakenteen muihin materiaaleihin.

Se on mieltä turruttava prosessi, joka vaatii huolellista kalibrointia. Kuten kaapin oven asentaminen, kaikki virheet jättävät sen vinoon. Jos kyseessä on niinkin monimutkainen asia kuin robottikäsi, tulokset voivat olla melko Frankensteinia.

Perinteiset menetelmät vaikeuttavat myös ominaisuuksiltaan erilaisten materiaalien yhdistämistä, ja niistä puuttuu yleensä niinkin monimutkaisissa asioissa kuin synteettinen käsi. Kaikki nämä rajoitukset rajoittavat sitä, mitä robottikäsi – ja muut toiminnalliset rakenteet – voivat tehdä.

Sitten tuli 3D-mustesuihkutulostus. Näiden tulostimien yleiset versiot puristavat nestemäistä hartsimateriaalia satojen tuhansien yksilöllisesti ohjattujen suuttimien läpi – kuten toimistotulostin, joka tulostaa valokuvan korkealla resoluutiolla. Kun kerros on painettu, UV-valo "kiinnittää" hartsin ja muuttaa sen nestemäisestä kiinteäksi. Sitten tulostin alkaa työstää seuraavaa kerrosta. Tällä tavalla tulostin rakentaa 3D-objektin kerros kerrokselta mikroskooppisella tasolla.

Vaikka tekniikka on uskomattoman nopea ja tarkka, siinä on ongelmansa. Se ei esimerkiksi ole hyvä sitomaan eri materiaaleja yhteen. Toimivan robotin 3D-tulostusta varten insinöörien on joko tulostettava osat useilla tulostimilla ja koottava ne sen jälkeen, tai he voivat tulostaa alkuperäisen rakenteen, valaa osan ympärille ja lisätä muita materiaaleja, joilla on halutut ominaisuudet.

Yksi suuri haittapuoli on, että jokaisen kerroksen paksuus ei ole aina sama. Erot ”musteen nopeudessa”, suuttimien välinen häiriö ja kutistuminen ”asetus”-prosessin aikana voivat kaikki aiheuttaa pieniä eroja. Mutta nämä epäjohdonmukaisuudet lisäävät tasoja, mikä johtaa virheellisiin objekteihin ja tulostusvirheisiin.

Insinöörit ratkaisevat tämän ongelman lisäämällä terän tai telan. Kuten äskettäin levitetyn betonin tasoittaminen tietöiden aikana, tämä vaihe tasoittaa jokaisen kerroksen ennen kuin seuraava alkaa. Valitettavasti ratkaisu tuo mukanaan muita päänsärkyä. Koska telat ovat yhteensopivia vain joidenkin materiaalien kanssa – toiset puristetaan kaavinta – ne rajoittavat käytettävien materiaalien määrää.

Entä jos emme tarvitse tätä vaihetta ollenkaan?

Silmät palkinnolla

Tiimin ratkaisu on konenäkö. Sen sijaan, että kaavittaisiin pois ylimääräistä materiaalia, jokaisen kerroksen skannaus tulostuksen aikana auttaa järjestelmää havaitsemaan ja kompensoimaan pienet virheet reaaliajassa.

Konenäköjärjestelmä skannaa koko tulostuspinnan neljällä kameralla ja kahdella laserilla mikroskooppisella resoluutiolla.

Tämä prosessi auttaa tulostinta korjaamaan itsensä, tiimi selitti. Ymmärtämällä, missä materiaalia on liikaa tai liian vähän, tulostin voi muuttaa seuraavaan kerrokseen kertyneen musteen määrää, mikä käytännössä täyttää aiemmat "kuopat". Tuloksena on tehokas 3D-tulostusjärjestelmä, jossa ylimääräistä materiaalia ei tarvitse raapia pois.

Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun konenäköä käytetään 3D-tulostimissa. Mutta uusi järjestelmä pystyy skannaamaan 660 kertaa nopeammin kuin vanhemmat, ja se pystyy analysoimaan kasvavan rakenteen fyysistä muotoa alle sekunnissa, kirjoitti Kong. Tämän ansiosta 3D-tulostin voi käyttää paljon laajempaa materiaalikirjastoa, mukaan lukien aineet, jotka tukevat monimutkaisia ​​rakenteita tulostuksen aikana, mutta jotka poistetaan myöhemmin.

Käännös? Järjestelmä voi tulostaa uuden sukupolven biovaikutteisia robotteja paljon nopeammin kuin mikään aikaisempi teknologia.

Testissä työryhmä tulosti synteettisen käden kahden tyyppisellä materiaalilla: jäykällä, kantavalla materiaalilla, joka toimii luurankona, ja pehmeästä taivutettavasta materiaalista jänteiden ja nivelsiteiden valmistamiseksi. He painattivat kanavia koko käteen hallitakseen sen liikettä ilmanpaineella ja integroivat samalla kalvon kosketuksen – lähinnä sormenpäiden – aistimiseen.

He kiinnittivät kätensä ulkoisiin sähkökomponentteihin ja integroivat sen pieneen kävelyrobottiin. Painetta tunnistavien sormenpäiden ansiosta se pystyi poimimaan erilaisia ​​esineitä – kynän tai tyhjän muovisen vesipullon.

Järjestelmä myös tulostaa ihmisen kaltaisen sydänrakenteen, jossa oli useita kammioita. Paineistettaessa synteettistä sydäntä se pumppaa nesteitä kuten biologinen vastine.

Kaikki painettiin yhdellä kertaa.

Seuraavat vaiheet

Tulokset ovat kiehtovia, koska ne tuntuvat läpimurrolta teknologialle, joka on jo kypsässä tilassa, Kong sanoi. Vaikka kaupallisesti saatavilla vuosikymmeniä, pelkkä konenäön lisääminen antaa teknologialle uuden elämän.

"Jännittävästi nämä erilaiset esimerkit painettiin muutamalla materiaalilla", hän lisäsi. Tiimi pyrkii laajentamaan materiaaleja, joilla he voivat tulostaa, ja lisätä suoraan elektronisia antureita tulostuksen aikana havaitsemaan ja liikettä varten. Järjestelmä voisi sisältää myös muita valmistusmenetelmiä - esimerkiksi suihkuttamalla biologisesti aktiivisia molekyylejä käsien pintaan.

Robert Katzschmann, ETH Zürichin professori ja uuden paperin kirjoittaja, suhtautuu optimistisesti järjestelmän laajempaan käyttöön. "Voit ajatella lääketieteellisiä implantteja… [tai] käyttää tätä prototyyppien tekemiseen kudostekniikassa", hän sanoi. "Teknologia itsessään vain kasvaa."

Kuvan luotto: ETH Zurich/Thomas Buchner

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/