Ученые впервые напечатали роботизированную руку с костями, связками и сухожилиями

Исследователи из Массачусетского технологического института, подразделения Inkbit MIT и ETH Zurich разработали новую систему 3D-струйной печати, которая может работать с гораздо более широким спектром материалов, включая медленно отверждающиеся. Их принтер использует компьютерное зрение для автоматического сканирования поверхности 3D-печати и регулировки количества смолы, наносимой каждым соплом, в режиме реального времени, чтобы гарантировать, что ни на каких участках не будет слишком много или слишком мало материала.

Данная работа основана на использовании многоматериального 3D-принтера MultiFab, представленного исследователями в 2015 году. Благодаря использованию тысяч сопел для нанесения капель УФ-смолы, MultiFab позволяет осуществлять 3D-печать с высоким разрешением с использованием до 10 материалов одновременно.

В новом проекте участники искали бесконтактный процесс, который расширил бы диапазон материалов, которые можно использовать для изготовления более сложных устройств.

В разработанной технологии, известной как "струйная печать с визуальным контролем", используются четыре скоростные камеры и два лазера, которые непрерывно сканируют поверхность печати, когда тысячи сопел выбрасывают крошечные капли смолы.

Система компьютерного зрения преобразует изображение в карту глубины высокого разрешения, после чего идет сравнение карты глубины с CAD-моделью изготавливаемой детали и регулируется количество наносимой смолы, чтобы объект в точности соответствовал конечной структуре.

Автоматизированная система может вносить коррективы в любую отдельную насадку. Поскольку принтер имеет 16 000 сопел, система может контролировать мелкие детали изготавливаемого устройства.

Уровень контроля, обеспечиваемый системой, позволяет ей очень точно печатать воском, который используется в качестве вспомогательного материала для создания полостей или сложной сети каналов внутри объекта. Воск напечатан под структурой во время изготовления устройства. После завершения объект нагревается, поэтому воск плавится и вытекает, оставляя открытые каналы по всему объекту.

Поскольку для разглаживания смолы (этот этап необходим для исправления неровностей после каждого этапа отверждения в других подобных принтерах), не требуются механические детали, эта бесконтактная система работает с материалами, которые отверждаются медленнее, чем акрилаты, традиционно используемые в 3D-печати. В свою очередь, некоторые химические материалы с более медленным отверждением могут обеспечить улучшенные характеристики по сравнению с акрилатами, например, большую эластичность, долговечность или прочность, отмечается в пресс-релизе.

По словам разработчиков, автоматическая система вносит коррективы без замедления или остановки процесса печати, что делает этот принтер промышленного уровня примерно в 660 раз быстрее, чем сопоставимые системы струйной 3D-печати.

"Нашей ключевой идеей здесь была разработка системы машинного зрения и полностью активного контура обратной связи. Это почти то же самое, что наделить принтер глазами и мозгом, где глаза наблюдают за тем, что печатается, а затем мозг машины указывает, что следует печатать дальше", — говорит соавтор Войцех Матусик, профессор электротехники и информатики в Массачусетском технологическом институте, возглавляющий группу вычислительного проектирования и производства в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).

Исследователи использовали этот принтер, материалы на основе тиола и воск для создания сложных роботизированных устройств, сочетающих мягкие и жесткие элементы и которые практически невозможно создать с помощью существующих систем 3D-печати.

Во-первых, они создали полностью напечатанный на 3D-принтере функциональный роботизированный захват в форме человеческой руки, который имеет 19 независимо приводимых в действие сухожилий, мягкие пальцы с сенсорными подушечками и жесткие, несущие нагрузку кости.

"Мы также создали шестиногого шагающего робота, который может чувствовать объекты и хватать их, что стало возможным благодаря способности системы создавать герметичные интерфейсы из мягких и жестких материалов, а также сложные каналы внутри конструкции", — отметил Томас Бухнер, аспирант группы профессора робототехники ETH Zurich Роберта Кацшмана и первый автор исследования.

Команда также продемонстрировала возможности этой технологии напечатав насос, напоминающий сердце, со встроенными желудочками и искусственными сердечными клапанами, а также метаматериалов, которые можно запрограммировать на получение нелинейных свойств материала.

Информация о проведенном исследовании опубликована в журнале Nature.

В настоящее время исследователи рассматривают возможность использования системы для печати гидрогелями, которые используются в тканевой инженерии, а также кремниевыми материалами, эпоксидными смолами и особыми типами прочных полимеров.