私たちは、目が覚めてもコーヒーをこぼさずに注ぐことや、繊細な布地を裂かずに洗濯物をたたむことなど、依然として高度なロボットを妨げる作業に一日中手を使うことをためらうことなく考えています。
私たちの手の複雑さに感謝する部分もあります。 これらは生物工学の驚異です。硬い骨格がその形状と完全性を維持し、指に体重を支えることができます。 筋肉や靭帯などの軟組織は、彼らに器用さを与えます。 進化のおかげで、これらすべての「生体材料」は自己集合します。
それらを人工的に再現するのは別の問題です。
科学者たちは積層造形の利用を試みてきました。 3D印刷—手から心臓までの複雑な構造を再現します。 しかし、この技術は、複数の素材を 3 つの印刷プロセスに統合するときにつまずきます。 たとえば、ロボットハンドを XNUMXD プリントするには、複数のプリンター (XNUMX つは骨格を作成し、もう XNUMX つは軟組織材料を作成) と部品の組み立てが必要です。 これらの複数のステップにより、製造時間と複雑さが増加します。
科学者たちは長い間、さまざまな素材を単一の 3D プリンティングプロセスに組み合わせることを模索してきました。 チューリッヒ工科大学のソフトロボティクス研究室のチーム 方法を見つけました.
チームは、通常のオフィス プリンターと同じテクノロジーに基づいた 3D インクジェット プリンターにマシン ビジョンを搭載し、さまざまな素材に迅速に適応できるようにしました。 視覚制御ジェッティングと呼ばれるこのアプローチは、材料の種類に関係なく、印刷中に構造の形状に関する情報を継続的に収集し、次の層をどのように印刷するかを微調整します。
テストでは、チームは合成手を一度に 3D プリントしました。 骨格、靭帯、腱を備えた手は、指先に圧力を「感じる」とさまざまな物体をつかむことができます。
また、チャンバー、一方向弁、成人の心臓の約 3% の速度で液体を送り出す機能を備えた、人間の心臓のような構造も 40D プリントしました。
この研究は「非常に印象深い」とユタ大学のヨン・リン・コン博士は言う。彼はこの研究には関与していないが、 付属の解説を書きました、言いました 自然。 3Dインクジェット印刷はすでに成熟した技術だが、今回の研究ではマシンビジョンによって技術の機能をより複雑な構造や複数の材料に拡張できることが示されたと同氏は付け加えた。
3D インクジェット プリントの問題点
従来の方法を使用して構造を再作成するのは面倒で、間違いが発生しやすくなります。 エンジニアは、型を鋳造して目的の形状 (たとえば、手の骨格) を形成し、最初の構造を他の材料と組み合わせます。
これは、注意深い調整を必要とする気の遠くなるプロセスです。 キャビネットのドアの取り付けと同じように、エラーがあるとドアが偏ってしまいます。 ロボットハンドのような複雑なものの場合、結果はむしろフランケンシュタインになる可能性があります。
また、従来の方法では、異なる特性を持つ素材を組み込むことが難しく、合成手のような複雑なものに必要な詳細が欠けている傾向があります。 これらすべての制限は、ロボットハンドやその他の機能構造ができることの膝蓋骨にあります。
その後、3Dインクジェットプリントが登場しました。 これらのプリンタの一般的なバージョンは、高解像度で写真を印刷するオフィスのプリンタと同様に、個別に制御された何十万ものノズルを通して液体樹脂材料を絞り出します。 レイヤーが印刷されると、UV ライトが樹脂を「硬化」させ、液体から固体に変化させます。 その後、プリンターは次のレイヤーで作業を開始します。 このようにして、プリンターは 3D オブジェクトを顕微鏡レベルでレイヤーごとに構築します。
信じられないほど速くて正確ですが、このテクノロジーには問題があります。 たとえば、異なる素材を結合するのは得意ではありません。 機能的なロボットを 3D プリントするには、エンジニアは複数のプリンタで部品を印刷してから組み立てる必要があります。あるいは、初期構造を印刷して部品の周囲に鋳造し、必要な特性を持つ追加の種類の材料を追加することもできます。
主な欠点の XNUMX つは、各層の厚さが常に同じではないことです。 「インク」の速度の違い、ノズル間の干渉、「セット」プロセスでの収縮などにより、わずかな違いが生じることがあります。 しかし、これらの不一致は層が増えるにつれて積み重なり、オブジェクトの誤動作や印刷の失敗を引き起こします。
エンジニアはブレードまたはローラーを追加することでこの問題に取り組みました。 道路工事中に新しく敷設したコンクリートを平らにするのと同じように、このステップでは次の層が始まる前に各層を平らにします。 残念ながら、この解決策には別の問題が伴います。 ローラーは一部の素材のみと互換性があり、他の素材はスクレーパーを汚してしまうため、使用できる素材の範囲が制限されます。
このステップがまったく必要ない場合はどうすればよいでしょうか?
賞に目
チームのソリューションはマシン ビジョンです。 余分な素材を削り取るのではなく、印刷中に各レイヤーをスキャンすることで、システムが小さな間違いをリアルタイムで検出して補正することができます。
マシン ビジョン システムは、XNUMX 台のカメラと XNUMX 台のレーザーを使用して、印刷面全体を顕微鏡解像度でスキャンします。
このプロセスは、プリンターの自己修正に役立つとチームは説明しました。 プリンタは、材料が多すぎる、または少なすぎる場所を理解することで、次の層に堆積するインクの量を変更し、本質的に以前の「ポットホール」を埋めることができます。 その結果、余分な材料を削り落とす必要のない強力な 3D プリント システムが誕生しました。
マシンビジョンが 3D プリンターに使用されるのはこれが初めてではありません。 しかし、新しいシステムは古いシステムよりも660倍速くスキャンでき、成長中の構造物の物理的形状を3秒未満で分析できるとコング氏は書いている。 これにより、XNUMXD プリンタは、印刷中に複雑な構造をサポートするが後で除去される物質を含む、はるかに大きな材料ライブラリにアクセスできるようになります。
翻訳？ このシステムは、これまでのどのテクノロジーよりもはるかに速く、新世代のバイオインスピレーションを受けたロボットを印刷できます。
テストとして、チームは XNUMX 種類の素材を使用して合成手を印刷しました。XNUMX つは骨格として機能する硬くて耐荷重性の素材、もう XNUMX つは腱や靱帯を作るための柔らかい曲げ可能な素材です。 彼らは、空気圧で動きを制御するために手の全体にチャネルを印刷し、同時に、基本的に指先の接触を感知する膜を統合しました。
彼らは手を外部の電気部品に接続し、それを小さな歩行ロボットに統合しました。 圧力を感知する指先のおかげで、ペンや空のペットボトルなど、さまざまな物体を拾うことができました。
このシステムは、複数の心室を持つ人間のような心臓構造も印刷しました。 人工心臓を加圧すると、生物学的心臓と同様に液体が送り出されます。
すべてが一度に印刷されました。
次のステップ
その結果は、すでに成熟した状態にあるテクノロジーに対するブレークスルーのように感じられるため、魅力的です、コング と。 何十年も前から市販されていますが、マシンビジョンを追加するだけで、テクノロジーに新たな命が吹き込まれます。
「興味深いことに、これらの多様な例は、わずか数種類の素材を使用して印刷されました」と彼は付け加えました。 チームは、印刷できる素材を拡大し、印刷中の感知と動きのための電子センサーを直接追加することを目指しています。 このシステムには、生物学的に活性な分子のコートを手の表面にスプレーするなど、他の製造方法を組み込むこともできます。
チューリッヒ工科大学の教授であり、新しい論文の著者でもあるロバート・カッツシュマン氏は、このシステムのより幅広い用途について楽観的である。 「医療用インプラントを考えることもできます…[または] これを組織工学のプロトタイピングに使用することもできます」と彼は言いました。 「テクノロジー自体は成長するばかりです。」
画像クレジット: ETH Zurich/Thomas Buchner
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- 情報源： https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/
