We denken er niet lang over na om onze handen de hele dag te gebruiken voor taken die geavanceerde robots nog steeds dwarsbomen: koffie schenken zonder te morsen als we half wakker zijn, wasgoed opvouwen zonder delicate stoffen te scheuren.

De complexiteit van onze handen is daar deels aan te danken. Het zijn wonderen van de biologische techniek: het harde skelet behoudt zijn vorm en integriteit en laat de vingers het gewicht dragen. Zachte weefsels, zoals spieren en ligamenten, geven ze behendigheid. Dankzij de evolutie assembleren al deze ‘biomaterialen’ zichzelf.

Ze kunstmatig opnieuw creëren is een andere zaak.

Wetenschappers hebben geprobeerd gebruik te maken van additieve productie, beter bekend als 3D afdrukken—om complexe structuren van handen tot harten na te bootsen. Maar de technologie struikelt bij het integreren van meerdere materialen in één drukproces. Voor het 3D-printen van een robothand zijn bijvoorbeeld meerdere printers nodig – één voor het maken van het skelet, een andere voor zachte weefselmaterialen – en de assemblage van onderdelen. Deze meerdere stappen verhogen de productietijd en complexiteit.

Wetenschappers proberen al lang verschillende materialen te combineren in één enkel 3D-printproces. Een team van het zachte robotica-lab van ETH Zürich heeft een manier gevonden.

Het team heeft een 3D-inkjetprinter, die is gebaseerd op dezelfde technologie als normale kantoorprinters, uitgerust met machine vision, waardoor deze zich snel kan aanpassen aan verschillende materialen. Deze aanpak, vision-gestuurde jetting genoemd, verzamelt tijdens het printen voortdurend informatie over de vorm van een structuur om nauwkeurig af te stemmen hoe de volgende laag wordt geprint, ongeacht het type materiaal.

In een test printte het team in één keer een synthetische hand in 3D. Compleet met skelet, ligamenten en pezen, kan de hand verschillende voorwerpen vastpakken wanneer hij druk op zijn vingertoppen voelt.

Ze hebben ook een structuur als een menselijk hart in 3D geprint, compleet met kamers, eenrichtingskleppen en de mogelijkheid om vloeistof te pompen met een snelheid van ongeveer 40 procent van het hart van een volwassen mens.

De studie is “zeer indrukwekkend”, zegt dr. Yong Lin Kong van de Universiteit van Utah, die niet bij het werk betrokken was schreef een begeleidend commentaar, Vertelde NATUUR. 3D-inkjetprinten is al een volwassen technologie, voegde hij eraan toe, maar deze studie toont aan dat machine vision het mogelijk maakt om de mogelijkheden van de technologie uit te breiden naar complexere structuren en meerdere materialen.

Het probleem met 3D-inkjetprinten

Het opnieuw creëren van een structuur met behulp van conventionele methoden is vervelend en foutgevoelig. Ingenieurs gieten een mal om de gewenste vorm te vormen, bijvoorbeeld het skelet van een hand, en combineren vervolgens de oorspronkelijke structuur met andere materialen.

Het is een geestdodend proces dat een zorgvuldige kalibratie vereist. Net als bij het installeren van een kastdeur zorgen eventuele fouten ervoor dat deze scheef blijft staan. Voor zoiets complex als een robothand kunnen de resultaten nogal Frankenstein zijn.

Traditionele methoden maken het ook moeilijk om materialen met verschillende eigenschappen te verwerken, en vaak missen ze de fijne details die nodig zijn bij zoiets complex als een synthetische hand. Al deze beperkingen van de knieschijf wat een robothand – en andere functionele structuren – kunnen doen.

Toen kwam 3D-inkjetprinten. Gangbare versies van deze printers persen een vloeibaar harsmateriaal door honderdduizenden individueel aangestuurde spuitmondjes, zoals een kantoorprinter die een foto met hoge resolutie afdrukt. Zodra een laag is afgedrukt, "hardt" een UV-licht de hars, waardoor deze van vloeibaar naar vast verandert. Vervolgens gaat de printer aan de slag met de volgende laag. Zo bouwt de printer laag voor laag een 3D-object op, op microscopisch niveau.

Hoewel ongelooflijk snel en nauwkeurig, heeft de technologie zijn problemen. Het is bijvoorbeeld niet geweldig in het samenbinden van verschillende materialen. Om een ​​functionele robot in 3D te printen, moeten ingenieurs onderdelen printen met meerdere printers en deze vervolgens in elkaar zetten, of ze kunnen een eerste structuur printen, rond het onderdeel gieten en extra soorten materialen met de gewenste eigenschappen toevoegen.

Een belangrijk nadeel is dat de dikte van elke laag niet altijd hetzelfde is. Verschillen in de snelheid van de “inkt”, interferentie tussen spuitmondjes en krimp tijdens het “uithardingsproces” kunnen allemaal kleine verschillen veroorzaken. Maar deze inconsistenties leiden tot meer lagen, wat resulteert in defecte objecten en afdrukfouten.

Ingenieurs pakken dit probleem aan door een mes of roller toe te voegen. Net als bij het vlakmaken van nieuw gelegd beton tijdens wegwerkzaamheden, egaliseert deze stap elke laag voordat de volgende begint. De oplossing gaat helaas gepaard met andere kopzorgen. Omdat de rollen alleen compatibel zijn met bepaalde materialen (andere vervuilen de schraper) beperken ze het scala aan materialen dat kan worden gebruikt.

Wat als we deze stap helemaal niet nodig hebben?

Ogen op de Prijs

De oplossing van het team is machine vision. In plaats van extra materiaal weg te schrapen, helpt het scannen van elke laag tijdens het printen het systeem om kleine fouten in realtime te detecteren en te compenseren.

Het machine vision-systeem maakt gebruik van vier camera's en twee lasers om het volledige printoppervlak met microscopische resolutie te scannen.

Dit proces helpt de printer zichzelf te corrigeren, legt het team uit. Door te begrijpen waar zich te veel of te weinig materiaal bevindt, kan de printer de hoeveelheid inkt die in de volgende laag wordt afgezet, veranderen, waardoor in wezen eerdere ‘kuilen’ worden opgevuld. Het resultaat is een krachtig 3D-printsysteem waarbij er geen extra materiaal afgeschraapt hoeft te worden.

Dit is niet de eerste keer dat machine vision wordt gebruikt in 3D-printers. Maar het nieuwe systeem kan 660 keer sneller scannen dan de oudere systemen, en het kan de fysieke vorm van de groeiende structuur in minder dan een seconde analyseren, schreef Kong. Hierdoor heeft de 3D-printer toegang tot een veel grotere bibliotheek met materialen, inclusief stoffen die complexe structuren ondersteunen tijdens het printen, maar later worden verwijderd.

Vertaling? Het systeem kan veel sneller een nieuwe generatie bio-geïnspireerde robots printen dan welke voorgaande technologie dan ook.

Als test printte het team een ​​synthetische hand met twee soorten materialen: een stijf, dragend materiaal dat als skelet fungeert en een zacht buigzaam materiaal om pezen en ligamenten te maken. Ze printten kanalen door de hele hand om de beweging ervan met luchtdruk te controleren en integreerden tegelijkertijd een membraan om aanraking te voelen – in wezen de vingertoppen.

Ze haakten de hand aan externe elektrische componenten en integreerden deze in een kleine looprobot. Dankzij de drukgevoelige vingertoppen kan hij verschillende voorwerpen oppakken: een pen of een lege plastic waterfles.

Het systeem printte ook een mensachtige hartstructuur met meerdere kamers. Bij het onder druk zetten van het synthetische hart pompte het vloeistoffen net als zijn biologische tegenhanger.

Alles werd in één keer afgedrukt.

Volgende stappen

De resultaten zijn fascinerend omdat ze aanvoelen als een doorbraak voor een technologie die zich al in een volwassen staat bevindt: Kong zei. Hoewel het al tientallen jaren in de handel verkrijgbaar is, geeft alleen al door het toevoegen van machinevisie de technologie nieuw leven.

“Opwindend genoeg werden deze uiteenlopende voorbeelden afgedrukt met slechts een paar materialen”, voegde hij eraan toe. Het team wil de materialen waarmee ze kunnen printen uitbreiden en direct elektronische sensoren toevoegen voor detectie en beweging tijdens het printen. Het systeem zou ook andere fabricagemethoden kunnen bevatten, bijvoorbeeld het spuiten van een laag biologisch actieve moleculen op het oppervlak van de handen.

Robert Katzschmann, professor aan de ETH Zürich en auteur van het nieuwe artikel, is optimistisch over het bredere gebruik van het systeem. “Je zou kunnen denken aan medische implantaten… [of] gebruik dit voor het maken van prototypen van zaken op het gebied van weefselmanipulatie”, zei hij. “De technologie zelf zal alleen maar groeien.”

Beeldcredits: ETH Zürich/Thomas Buchner

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/