우리는 아직 정교한 로봇을 방해하는 작업을 위해 하루 종일 손을 사용하는 것에 대해 두 번 생각하지 않습니다. 반쯤 깨어 있을 때 커피를 흘리지 않고 붓고, 섬세한 천을 찢지 않고 세탁물을 개는 것입니다.

우리 손의 복잡성은 부분적으로 감사할 일입니다. 이것은 생물학 공학의 경이로움입니다. 단단한 뼈대는 모양과 온전함을 유지하고 손가락이 무게를 지탱할 수 있게 해줍니다. 근육과 인대와 같은 연조직은 민첩성을 부여합니다. 진화 덕분에 이러한 모든 "생체 재료"는 스스로 조립됩니다.

이를 인위적으로 재현하는 것은 또 다른 문제입니다.

과학자들은 적층 제조 기술을 사용하려고 노력해 왔습니다. 3D 인쇄—손에서 마음까지 복잡한 구조를 재현합니다. 그러나 여러 재료를 하나의 인쇄 프로세스에 통합하면 이 기술이 제대로 작동하지 않습니다. 예를 들어, 로봇 손을 3D 프린팅하려면 여러 대의 프린터(하나는 뼈대를 만들고 다른 하나는 연조직 재료에 사용)와 부품 조립이 필요합니다. 이러한 여러 단계로 인해 제조 시간과 복잡성이 증가합니다.

과학자들은 오랫동안 다양한 재료를 단일 3D 프린팅 프로세스로 결합하려고 노력해 왔습니다. ETH 취리히 소프트 로봇공학 연구소 팀 방법을 찾았습니다.

팀은 일반 사무용 프린터와 동일한 기술을 기반으로 하는 3D 잉크젯 프린터에 머신 비전을 장착하여 다양한 재료에 빠르게 적응할 수 있었습니다. 비전 제어 분사라고 불리는 이 접근 방식은 인쇄 중에 구조의 모양에 대한 정보를 지속적으로 수집하여 재료 유형에 관계없이 다음 레이어를 인쇄하는 방법을 미세 조정합니다.

테스트에서 팀은 합성 손을 한 번에 3D 프린팅했습니다. 뼈대, 인대, 힘줄로 완성된 손은 손가락 끝에서 압력을 "느끼면" 다양한 물체를 잡을 수 있습니다.

그들은 또한 챔버, 일방향 밸브, 성인 심장의 약 3% 속도로 유체를 펌핑하는 능력을 갖춘 인간의 심장과 같은 구조를 40D 프린팅했습니다.

이 연구는 "매우 인상적"이라고 유타 대학교의 공용린(Yong Lin Kong) 박사는 말했습니다. 그에 따른 논평을 썼다, 말 자연. 그는 3D 잉크젯 프린팅은 이미 성숙한 기술이지만 이번 연구에서는 머신 비전을 통해 이 기술의 기능을 더 복잡한 구조와 다양한 재료로 확장할 수 있음을 보여줍니다.

3D 잉크젯 프린팅의 문제점

기존 방법을 사용하여 구조를 다시 만드는 것은 지루하고 오류가 발생하기 쉽습니다. 엔지니어들은 주형을 주조하여 원하는 모양(예: 손의 뼈대)을 만든 다음 초기 구조를 다른 재료와 결합합니다.

이는 신중한 보정이 필요한 매우 힘든 과정입니다. 캐비닛 도어를 설치하는 것과 마찬가지로 오류가 발생하면 한쪽으로 치우쳐집니다. 로봇 손처럼 복잡한 것의 결과는 오히려 프랑켄슈타인일 수 있습니다.

또한 전통적인 방법으로 인해 다양한 특성을 지닌 재료를 통합하기가 어렵고 합성 손처럼 복잡한 것에 필요한 미세한 디테일이 부족한 경향이 있습니다. 이러한 모든 제한은 로봇 손과 기타 기능적 구조가 수행할 수 있는 작업을 제한합니다.

그러다가 3D 잉크젯 프린팅이 등장했습니다. 이러한 프린터의 일반적인 버전은 고해상도로 사진을 인쇄하는 사무용 프린터와 마찬가지로 수십만 개의 개별 제어 노즐을 통해 액체 수지 재료를 짜냅니다. 레이어가 인쇄되면 UV 광선이 수지를 "고정"시켜 수지를 액체에서 고체로 바꿉니다. 그런 다음 프린터는 다음 레이어에서 작업을 시작합니다. 이러한 방식으로 프린터는 미세한 수준에서 3D 개체를 층별로 만듭니다.

믿을 수 없을 만큼 빠르고 정확하지만 이 기술에는 문제가 있습니다. 예를 들어, 서로 다른 재료를 함께 묶는 데는 좋지 않습니다. 기능성 로봇을 3D 프린팅하려면 엔지니어는 여러 프린터로 부품을 프린팅한 후 조립해야 합니다. 또는 초기 구조를 프린팅하고 부품 주위를 주조하고 원하는 특성을 가진 추가 유형의 재료를 추가할 수 있습니다.

한 가지 주요 단점은 각 레이어의 두께가 항상 동일하지 않다는 것입니다. "잉크" 속도의 차이, 노즐간 간섭, "세팅" 과정의 수축 등으로 인해 미세한 차이가 발생할 수 있습니다. 그러나 이러한 불일치로 인해 더 많은 레이어가 추가되어 개체가 오작동하고 인쇄 오류가 발생합니다.

엔지니어들은 블레이드나 롤러를 추가하여 이 문제를 해결합니다. 도로 공사 중에 새로 놓인 콘크리트를 평평하게 만드는 것과 마찬가지로 이 단계는 다음 단계가 시작되기 전에 각 층을 수평으로 만듭니다. 불행히도 해결책은 다른 문제와 함께 제공됩니다. 롤러는 일부 재료에만 호환되기 때문에(다른 재료는 스크레이퍼를 망가뜨리므로) 사용할 수 있는 재료의 범위가 제한됩니다.

이 단계가 전혀 필요하지 않으면 어떻게 되나요?

상을 본다

팀의 솔루션은 머신 비전입니다. 여분의 재료를 긁어내는 대신 인쇄하면서 각 레이어를 스캔하면 시스템이 실시간으로 작은 실수를 감지하고 보정하는 데 도움이 됩니다.

머신 비전 시스템은 XNUMX대의 카메라와 XNUMX대의 레이저를 사용하여 미세한 해상도로 인쇄 표면 전체를 스캔합니다.

이 프로세스는 프린터가 자체적으로 수정하는 데 도움이 된다고 팀은 설명했습니다. 재료가 너무 많거나 적은 위치를 파악함으로써 프린터는 다음 레이어에 도포되는 잉크의 양을 변경하여 본질적으로 이전의 "움푹 들어간 곳"을 채울 수 있습니다. 그 결과 추가 재료를 긁어낼 필요가 없는 강력한 3D 프린팅 시스템이 탄생했습니다.

3D 프린터에 머신비전이 사용된 것은 이번이 처음이 아닙니다. 그러나 새로운 시스템은 이전 시스템보다 660배 더 빠르게 스캔할 수 있으며 성장하는 구조물의 물리적 형태를 3초 이내에 분석할 수 있다고 Kong은 썼습니다. 이를 통해 XNUMXD 프린터는 인쇄 중에 복잡한 구조를 지원하지만 나중에 제거되는 물질을 포함하여 훨씬 더 큰 재료 라이브러리에 액세스할 수 있습니다.

번역? 이 시스템은 이전 기술보다 훨씬 빠르게 차세대 생체모방 로봇을 프린팅할 수 있습니다.

테스트로 팀은 두 가지 유형의 재료, 즉 뼈대 역할을 하는 견고한 하중 지지 재료와 힘줄과 인대를 만들기 위한 부드러운 구부릴 수 있는 재료로 합성 손을 프린트했습니다. 그들은 공기압으로 손의 움직임을 제어하기 위해 손 전체에 채널을 인쇄했으며 동시에 터치(기본적으로 손가락 끝)를 감지하기 위한 멤브레인을 통합했습니다.

그들은 손을 외부 전기 부품에 연결하고 이를 작은 걷는 로봇에 통합했습니다. 압력을 감지하는 손끝 덕분에 펜이나 빈 플라스틱 물병 등 다양한 물체를 집어들 수 있습니다.

이 시스템은 또한 여러 개의 챔버가 있는 인간과 유사한 심장 구조를 인쇄했습니다. 합성 심장에 압력을 가할 때 생물학적 심장과 마찬가지로 체액을 펌핑했습니다.

모든 것이 한 번에 인쇄되었습니다.

다음 단계

그 결과는 이미 성숙한 상태에 있는 기술의 돌파구처럼 느껴지기 때문에 매우 흥미롭다. 말했다. 수십 년 동안 상업적으로 이용 가능했지만 머신 비전을 추가하는 것만으로도 기술에 새로운 생명을 불어넣을 수 있습니다.

"흥미롭게도 이러한 다양한 샘플은 단 몇 가지 재료를 사용하여 인쇄되었습니다."라고 그는 덧붙였습니다. 팀은 인쇄할 수 있는 재료를 확장하고 인쇄 중 감지 및 움직임을 위한 전자 센서를 직접 추가하는 것을 목표로 합니다. 이 시스템은 생물학적 활성 분자 코팅을 손 표면에 분사하는 등 다른 제조 방법도 통합할 수 있습니다.

ETH Zurich의 교수이자 새 논문의 저자인 Robert Katzschmann은 시스템의 광범위한 사용에 대해 낙관적입니다. “의료용 임플란트를 생각할 수도 있고…조직 공학의 프로토타입 제작에 이것을 사용할 수도 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “기술 자체가 성장할 뿐입니다.”

이미지 출처: ETH 취리히/토마스 부흐너

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• 출처: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/