Hænder som et menneske: Ny additiv fremstilling hjælper blød robotteknik med at blive virkelig

I den hurtigt udviklende robotteknologis landskab dukker en ny grænse op, som lover at omforme vores forståelse af feltet: blød robotteknik. Denne innovative tilgang gør fremskridt takket være banebrydende additive fremstillingsteknikker. 

I denne artikel udforsker vi området for blød robotteknik og undersøger, hvordan de seneste fremskridt inden for additiv fremstilling driver denne teknologi fremad.

Hvad er blød robotteknik?

Blød robotteknik forsøger at introducere teknologier, der mere præcist efterligner de fysiske egenskaber hos levende organismer, og erstatter de stive bevægelser, vi forbinder med robotter. Det betragtes som en form for biomimik, hvor de konventionelle lineære og stive træk ved robotteknik træder tilbage for at give plads til sofistikerede modeller; blød robotteknik efterligner menneske-, dyre- og planteliv. 

Forskere anslår, at blød robotteknik marked vil blive en betydeligt stor mulighed i fremtiden, med en markedsstørrelse, der vokser fra mere end US$770 millioner i 2022 til næsten US$22 milliarder i 2030. Det vil betyde en fantastisk vækst på næsten 75 % CAGR. 

Ifølge Harvard Biodesign Lab, som hjælper med at forstå teknologien bag blød robotteknik som fluidiske aktuatorer med elastomeriske matricer, der indeholder fleksible materialer som stof, papir, fiber og partikler, vil blød robotteknik blive populær på grund af deres letvægt, overkommelighed og nem tilpasning til en given anvendelse. 

Nogle anvendelser af blød robotteknik

Harvard Biodesign Lab anslår, at der i dag er fire millioner kroniske slagtilfældeoverlevere med hemiparese i USA og yderligere seks millioner i andre udviklede lande globalt. Disse overlevere mister ofte motoriske evner i deres hænder. Blød robotteknik kan hjælpe dem med at tackle denne udfordring ved at udvikle en modulær, sikker, bærbar, forbrugelig, hjemmebaseret håndrehabiliterings- og assistent-enhed. 

I USA er den livstidsrisiko for at udvikle hjertesvigt tæt på 20%. Ved at udnytte teknologien bag blød robotteknik udvikler laboratoriet en bordtop‑kardialsimulator og en Direct Cardiac Compression (DCC) enhed, som vil hjælpe med at behandle hjertesvigt. 

Med alle disse gavnlige anvendelser og flere kan blød robotteknik spille en betydelig rolle i patientrehabilitering og forbedring af livskvalitet verden over. Enhver teknologi, der hjælper med at fremme blød robotteknik, er – derfor – en positiv en. Vi vil i dag diskutere nogle sådanne fremstillingsteknikker. 

3D‑print eller additiv fremstillingsteknologi i blød robotteknik

3D‑print, også kendt som additiv fremstilling, handler om at udvikle tredimensionale objekter ud fra en digital fil. Det kaldes additiv fremstilling på grund af dens iboende udviklingsproces. 

I den additive fremstillingsproces udvikles et objekt ved at lægge successive lag af materiale, indtil den ønskede form og struktur er opnået. 

Hvert af disse lag er blot en tyndt skåret tværsnit af det ønskede objekt. Additiv fremstilling adskiller sig fra den traditionelle subtraktive fremstilling, hvor dele af den ønskede form og størrelse skæres ud af en stor blok af udgangsmaterialet. 

3D‑print eller additiv fremstilling involverer typisk en 3D‑model, en 3D‑software og en 3D‑printer. Processen har allerede fundet anvendelse i fremstillingen af forbrugerprodukter, industrielle produkter, tandprodukter, proteser, arkitektoniske skala‑modeller og maquettes, rekonstruerede fossiler, replikaer af gamle artefakter, rekonstrueret bevismateriale inden for retspsykologi, filmrekvisitter og mere. 

Nu har den fundet anvendelse i det mere sofistikerede område blød robotteknik. ETH Zürich og en amerikansk startup, Inkbit, har i fællesskab gjort det muligt. 

Mens Inkbit er en spin‑off fra MIT, går ETH Zürichs Universitet for Videnskab og Teknologi tilbage til 1855, “da grundlæggerne af det moderne Schweiz oprettede det som et innovations‑ og videnscenter.”

Klik her for at lære alt om investering i 3D‑print/additiv fremstilling.

Teknologien i detaljer

Gennembruddet

Gennembruddet, som forskningen fra ETH Zürich og Inkbit har opnået, er, at den har udvidet omfanget af materialer, der kan anvendes i additiv fremstilling eller 3D‑print. Mens teknologien tidligere kun var begrænset til hurtigt hærdende plast, er den nu også egnet til langsomt hærdende plast. Der er mange fordele ved denne udvidelse af omfanget. 

Fordelene

• Langsomt hærdende plast har forbedrede elastiske egenskaber.
• De er mere holdbare og robuste.
• Langsomt hærdende plast gør det muligt at 3D‑printe komplekse og mere holdbare robotkomponenter.
• Teknologien er kompatibel med en række højkvalitetsmaterialer
• Udvidelsen af omfanget gør det lettere at kombinere bløde, elastiske og stive materialer.

Og endelig,

• De opfylder kravet om at skabe delikate strukturer og dele med hulrum, som og hvor det ønskes. 

Anvendelsen

Med langsomt hærdende plast er det blevet muligt at forene fordelene ved blød robotteknik og additiv fremstilling og skabe en synergi, der vil gavne menneskeheden i meget lang tid. 

Forskerne ved ETH Zürich har med succes udviklet en robotisk hånd, der har alle egenskaber fra menneskelig fysiologi, såsom knogler, ledbånd og sener. Selvom den er fremstillet af forskellige polymerer, kunne det endelige produkt fremstilles i ét skridt. 

Ifølge forskerne ville dette ikke have været muligt, hvis de ikke havde kunnet inkludere langsomt hærdende polymerer. Ifølge Thomas Buchner, doktorand i gruppen hos ETH Zürich’s robotikprofessor Robert Katzschmann og første forfatter af studiet:

“Vi bruger nu langsomt hærdende thiolene‑polymerer. Disse har meget gode elastiske egenskaber og vender tilbage til deres oprindelige tilstand meget hurtigere efter bøjning end polyacrylat.”

Inklusionen af thiolene‑polymerer har været banebrydende for produktionen af hånden efter principperne for blød robotteknik. Da den robotiske hånd er så blød som en rigtig menneskehånd, er risikoen for skade mindre, og den kan håndtere skrøbelige genstande bedre. 

For at integrere blød robotteknik og additiv fremstilling i samme proces måtte forskerne indføre nogle ændringer i 3D‑printteknologien. De tilføjede en 3D‑laserscanner til printeren, som straks kan kontrollere hvert printet lag for potentielle overfladeirregulariteter. 

Forskerne indførte også en feedback‑mekanisme for at kompensere for disse uregelmæssigheder. Denne mekanisme hjalp med at foretage nødvendige justeringer af et lag, idet den tog højde for ujævnheder, hvis nogen, i det foregående lag. 

ETH Zürich fik hjælp fra Inkbit, den amerikanske startup, til at udvikle denne printteknologi. 

Inkbit: Printteknologi‑startup

Grundlagt i 2017 af Davide M. Marini, Javier Ramos og Wojciech Matusik, Inkbit er en Serie B startup baseret i Medford, Massachusetts, USA. Formålet med virksomheden er at skabe en næste generations additiv fremstillingsplatform, der kombinerer 3D‑print med maskinsyn. Virksomheden fortsætter med at innovere og udvikle nye løsninger inden for 3D‑print. For eksempel demonstrerede den i midten af november i år fremstillingen af komplekse multifunktionelle systemer og robotter i en enkelt print. 

En uge tidligere introducerede virksomheden TEPU 50A, en ny blød‑mellem durometer elastomer. 

Der er flere andre aktører i området, som Inkbit betjener. Alle sammen forsøger at drive fremskridt inden for blød robotteknik gennem nye additive fremstillingsteknikker.

Virksomheder med transformerende additive fremstillingsteknikker til at fremme blød robotteknik

#1. Flashforge

For nylig blev en 3D‑printet modulær blød griber med højt konforme bløde gribere udviklet. Fingrene bestod af positivt trykbløde pneumatiske aktuatorer sammen med et mekanisk metamateriale. Metamaterialet integrerede en blød auxetisk struktur og fleksible ribber. 3D‑printeren, der blev brugt i processen, var en lavpris, open‑source fused deposition modeling 3D‑printer fra FlashForge Corporation. 

Etableret i 2011 er Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD en af de første professionelle virksomheder inden for 3D‑printudstyr og materialer, forskning og udvikling samt fremstilling i Kina. Flashforge‑produkter rejser til næsten 100 lande og regioner globalt. 

Det har udviklet mere end 600 brandforhandlere i over 50 lande og regioner både indenlands og i udlandet. 

FlashForge USA fokuserer på at gøre 3D‑print bredt tilgængeligt for institutioner, arkitekter, ingeniører, designere, industrielle brugere samt de brede forbruger‑ og prosumer‑markeder. 

Anslået har Flashforge en omsætning på mere end US$15 millioner, mens FlashforgeUSA har mere end US$7 millioner. 

#2. NinjaTek

Blandt deres mange løsninger blev NinjaTeks Cheetah® 3D Printer Filament brugt til at skabe fleksible, livagtige knogler til proteshånd. Fingerdesignen krævede indlejring af en fleksibel 3D‑printet knogle i en silikoneform for at skabe en realistisk hudlignende tekstur og øge fingerens robusthed og styrke. Forskerteamet, der var ansvarligt for at designe og udvikle hånden, fandt NinjaTeks semi‑fleksible Cheetah TPU‑filament meget nyttigt i designet af den protesiske del.

NinjaTek er en del af Fenner Precision Polymers. Det producerer specialfilament til slutbrugere inden for den industrielle 3D‑print sektor. Virksomheden er nu et Michelin Group‑selskab. 

Michelin Group registrerede mere end 28,5 milliarder euro i omsætning i 2022, sammenlignet med en omsætning på næsten 24 milliarder euro i 2021. Virksomhedens driftsindtægt som procentdel af omsætningen var tæt på 12 % i 2022. 

#3. Fictiv

En anden nøgleaktør inden for dette område er Fictiv, en virksomhed, der tilbyder et omfattende udvalg af 3D‑printtjenester og viser en stærk forpligtelse til at fremme blød robotteknik. Deres ekspertise er meget efterspurgt, med store medicoteknologiske virksomheder som Medtronic, der benytter Fictivs innovative tjenester.

Fictiv mener, at bløde robotter er mere tilpasningsdygtige og fleksible. De kan “bedre forstå forskellige grebdesign og tilpasse deres bevægelser derefter.” De ser også bløde robotter som mere “pneumatisk aktiveret til at gribe objekter, hvilket muliggør nem tilføjelse af sugefunktioner.” 

I maj 2022 annoncerede Fictiv afslutningen af en $100 millioner Series E finansieringsrunde. Runden blev ledet af Activate Capital, inklusive nye investorer som Angeleno Group, Cross Creek og The Westly Group. Fictivs øvrige institutionelle investorer omfatter Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners og Standard Investments. Series E‑finansieringen bragte den samlede investering i Fictiv op på US$192 millioner siden virksomheden startede sin drift i 2013. 

3D‑print eller additiv fremstillingsteknologi i blød robotteknik: Hvad fremtiden bringer

3D‑print eller additiv fremstilling vil blive en nøgle‑teknologi i blød robotteknik på grund af dens høje kvalitet og evne til at printe flere materialer samtidigt. 

Bløde robotter er lavet af væsker, geler, funktionelle polymerer og andre let deformerbare materialer, som hjælper den robotiske løsning med at forblive operationel selv når den strækkes og klemmes. Vigtigt er, at disse materialer er kompatible med nuværende 3D‑print‑ eller additive fremstillingsteknologier, som ikke kun er hurtigere, men også mere pålidelige. For at blive universelt tilpasningsdygtige skal de dog forbedre deres skalerbarhed. 

En anden fordel ved de nye additive fremstillingsteknologier er deres høje specificitet og evne til at printe de mest komplekse former. 

Nye additive fremstillingsteknikker er også nyttige, når det gælder placeringen af strømkilder, som er en integreret del af de fleste af de nyudviklede bløde robotter. Desuden hjælper nye 3D‑printteknikker med intelligent at placere dem inden i de bløde robotstrukturer. 

På den anden side har de nuværende tilgængelige 3D‑printbare bløde materialer en betydelig tendens til at deformere under de normalt anvendte kræfter under byggeprocessen på grund af deres egen vægt, hvilket kræver brug af støtte materiale. Denne udfordring fremhæver et område, der er modent til videre udvikling. En af løsningerne er dukket op i form af viskoelastiske hydrogel, som kan modstå tryk fra kilopascal til megapascal. 

For nylig har en forskningsgruppe også med succes udviklet en omnidirektionel teknik, der kan printe ekstremt bløde materialer som væsker, som kan fastholdes på plads gennem polymerisation på et senere tidspunkt. 

Et andet forskningsteam, bestående af studerende fra Delft University of Technology, har introduceret en yderligere spændende funktion. Det har hjulpet med at udvikle 3D‑printteknologier, der kan støbe silikoner i 3D‑printede hylstre. Teknikken er omkostningseffektiv og kan hjælpe blød robotteknik med at nå nye højder i fremtiden. 

Med mere forskning og videnskabelige studier på området vil additiv fremstilling hjælpe blød robotteknik med at blive yderst relevant inden for medicin og sundhedsvidenskab. Det har allerede bidraget til at udvikle bløde robot‑3D‑printede handsker, der er nyttige for dem, der lider af begrænset håndfunktion, lokal lammelse og gigt. 

Forskere har også bygget proteshånd og 3D‑printede bløde robotter med fire ben, som kan gå på ujævne og ru overflader såsom småsten og sand. 

Udover deres medicinske og sundhedsrehabiliteringsanvendelser kan sådanne bløde robotter hjælpe i redningsoperationer eller bruges til at indsamle sensordata fra farlige miljøer. 

Sammenfattende er de muligheder, som nye additive fremstillingsteknikker giver for at fremme blød robotteknik, enorme. Det eneste, der mangler, er at de kommer ud af laboratoriet til storstilet anvendelse til offentlig nytte. 

Klik her for de ti bedste additive fremstillings‑ og 3D‑print aktier.