Χέρια σαν ανθρώπινα: Νέα προσθετική κατασκευή βοηθά τη μαλακή ρομποτική να γίνει πραγματική

Στο ταχέως εξελισσόμενο τοπίο της ρομποτικής, εμφανίζεται ένα νέο σύνορο που υπόσχεται να ξανασχηματίσει την κατανόησή μας για τον τομέα: τη μαλακή ρομποτική. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση κάνει πρόοδο χάρη σε πρωτοποριακές τεχνικές προσθετικής κατασκευής. 

Σε αυτό το άρθρο, εξερευνούμε τον χώρο της μαλακής ρομποτικής και εξετάζουμε πώς οι πρόσφατες προόδους στην προσθετική κατασκευή προωθούν αυτήν την τεχνολογία προς τα εμπρός.

Τι είναι η Μαλακή Ρομποτική;

Η μαλακή ρομποτική προσπαθεί να εισαγάγει τεχνολογίες που μοιάζουν περισσότερο με τα φυσικά χαρακτηριστικά των ζωντανών οργανισμών, αντικαθιστώντας τις άκαμπτες κινήσεις που συνδέουμε με τα ρομπότ. Θεωρείται μια μορφή βιομιμίας, όπου τα συμβατικά γραμμικά και άκαμπτα χαρακτηριστικά της ρομποτικής απομακρύνονται για να δώσουν χώρο σε πιο εξελιγμένα μοντέλα· η μαλακή ρομποτική μιμείται την ανθρώπινη, ζωική και φυτική ζωή. 

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η αγορά μαλακής ρομποτικής θα γίνει μια σημαντικά μεγάλη ευκαιρία στο μέλλον, με το μέγεθός της να αυξάνεται από πάνω από US$770 million το 2022 σε σχεδόν US$22 billion μέχρι το 2030. Αυτό θα σήμαινε μια φαινομενική ανάπτυξη κοντά στο 75% CAGR. 

Σύμφωνα με το Harvard Biodesign Lab, το οποίο βοηθά στην κατανόηση της τεχνολογίας της μαλακής ρομποτικής ως υδραυλικών ενεργοποιητών με ελαστομερικά πλέγματα που περιέχουν ενσωματωμένα ευέλικτα υλικά όπως ύφασμα, χαρτί, ίνα και σωματίδια, η μαλακή ρομποτική αναμένεται να γίνει δημοφιλής λόγω του ελαφρού βάρους, της προσιτής τιμής και της εύκολης προσαρμογής σε συγκεκριμένη εφαρμογή. 

Κάποιες Εφαρμογές της Μαλακής Ρομποτικής

Το Harvard Biodesign Lab εκτιμά ότι σήμερα υπάρχουν τέσσερις εκατομμύρια χρόνια παθήσαντες επιζώντες εγκεφαλικού με ημιπάρεση στις ΗΠΑ και άλλα έξι εκατομμύρια σε άλλες ανεπτυγμένες χώρες παγκοσμίως. Αυτοί οι επιζώντες συχνά χάνουν τις κινητικές ικανότητες των χεριών τους. Η Μαλακή Ρομποτική μπορεί να τους βοηθήσει αντιμετωπίζοντας αυτήν την πρόκληση, αναπτύσσοντας μια μονάδα επαναφοράς και βοηθητική συσκευή χεριού που είναι αρθρωτή, ασφαλής, φορητή, καταναλώσιμη και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο σπίτι. 

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο κίνδυνος δια βίου ανάπτυξης καρδιακής ανεπάρκειας είναι κοντά στο 20%. Εκμεταλλευόμενη την τεχνολογία πίσω από τη μαλακή ρομποτική, το εργαστήριο αναπτύσσει έναν επιτραπέζιο προσομοιωτή καρδιάς και μια συσκευή Άμεσης Καρδιακής Συμπίεσης (DCC) που θα βοηθήσει στη θεραπεία της καρδιακής ανεπάρκειας. 

Με όλες αυτές τις ωφέλιμες εφαρμογές και περισσότερες, η Μαλακή Ρομποτική μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην αποκατάσταση των ασθενών και στη βελτίωση της ποιότητας ζωής παγκοσμίως. Οποιαδήποτε τεχνολογία που βοηθά στην προώθηση της μαλακής ρομποτικής είναι – επομένως – θετική. Σήμερα θα συζητήσουμε μερικές τέτοιες τεχνικές κατασκευής. 

Τεχνολογία 3Δ Εκτύπωσης ή Προσθετικής Κατασκευής στη Μαλακή Ρομποτική

3D printing, επίσης γνωστή ως προσθετική κατασκευή, αφορά την ανάπτυξη τρισδιάστατων αντικειμένων από ψηφιακό αρχείο. Ονομάζεται προσθετική κατασκευή λόγω της εγγενούς διαδικασίας ανάπτυξής της. 

Στη διαδικασία προσθετικής κατασκευής, ένα αντικείμενο δημιουργείται τοποθετώντας διαδοχικά στρώματα υλικού μέχρι να επιτευχθεί το τελικό σχήμα και μορφή του επιθυμητού αντικειμένου. 

Κάθε ένα από αυτά τα στρώματα είναι ουσιαστικά μια λεπτοκομμένη διατομή του επιθυμητού αντικειμένου. Η προσθετική κατασκευή διαφέρει από την παραδοσιακή υπολειμματική κατασκευή, όπου τμήματα του επιθυμητού σχήματος και μεγέθους κόβονται από ένα μεγάλο μπλοκ του αρχικού υλικού. 

Η 3D εκτύπωση ή προσθετική κατασκευή συνήθως περιλαμβάνει ένα 3D μοντέλο, λογισμικό 3D και έναν 3D εκτυπωτή. Η διαδικασία έχει ήδη βρει εφαρμογές στην κατασκευή καταναλωτικών προϊόντων, βιομηχανικών προϊόντων, οδοντιατρικών προϊόντων, προθέσεων, αρχιτεκτονικών μοντέλων κλίμακας και μακέτων, ανασυγκροτημένων απολιθωμάτων, αντιγράφων αρχαίων αντικειμένων, ανασυγκροτημένων αποδείξεων στην εγκληματολογική ψυχολογία, κινηματογραφικών αντικειμένων κ.ά. 

Τώρα, βρήκε χρησιμότητα στον πιο εξελιγμένο τομέα της μαλακής ρομποτικής. Το ETH Zurich και μια αμερικανική startup, Inkbit, το έχουν καταστήσει δυνατό. 

Ενώ η Inkbit είναι θυγατρική του MIT, το ETH Zurich, το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας, χρονολογείται από το 1855, “όταν οι ιδρυτές της σύγχρονης Ελβετίας το δημιούργησαν ως κέντρο καινοτομίας και γνώσης”.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε όλα σχετικά με την επένδυση στην 3D Εκτύπωση/προσθετική κατασκευή.

Η Τεχνολογία σε Λεπτομέρειες

Η Επανάσταση

Η επανάσταση που πέτυχαν οι ερευνητές του ETH Zurich και της Inkbit είναι ότι διεύρυναν το φάσμα των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην προσθετική κατασκευή ή 3D εκτύπωση. Ενώ προηγουμένως η τεχνολογία περιοριζόταν μόνο σε γρήγορα σκληρυνόμενα πλαστικά, τώρα είναι κατάλληλη και για αργά σκληρυνόμενα πλαστικά. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα αυτής της επέκτασης του φάσματος.

Τα Οφέλη

• Τα αργά σκληρυνόμενα πλαστικά έχουν βελτιωμένες ελαστικές ιδιότητες.
• Είναι πιο ανθεκτικά και στιβαρά.
• Τα αργά σκληρυνόμενα πλαστικά καθιστούν δυνατή την 3D εκτύπωση σύνθετων και πιο ανθεκτικών ρομποτικών στοιχείων.
• Η τεχνολογία είναι συμβατή με μια ποικιλία υψηλής ποιότητας υλικών
• Η επέκταση του φάσματος διευκολύνει τον συνδυασμό μαλακών, ελαστικών και άκαμπτων υλικών.

Και τέλος,

• Αντιστοιχούν στην απαίτηση δημιουργίας ευαίσθητων δομών και εξαρτημάτων με κοιλότητες όπου και όποτε απαιτείται. 

Η Εφαρμογή

Με τα αργά σκληρυνόμενα πλαστικά, έγινε δυνατόν να συγχωνευτούν τα οφέλη της μαλακής ρομποτικής και της προσθετικής κατασκευής, δημιουργώντας μια συνέργεια που θα ωφελήσει την ανθρωπότητα για πολύ καιρό. 

Οι ερευνητές του ETH Zurich έχουν επιτυχώς δημιουργήσει ένα ρομποτικό χέρι που διαθέτει όλες τις ιδιότητες της ανθρώπινης φυσιολογίας, όπως οστά, συνδέσμους και τένοντες. Αν και κατασκευασμένο από διαφορετικά πολυμερή, το τελικό προϊόν θα μπορούσε να παραχθεί σε μία μόνο διαδικασία. 

Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό δεν θα ήταν δυνατόν αν δεν είχαν τη δυνατότητα να ενσωματώσουν αργά σκληρυνόμενα πολυμερή. Σύμφωνα με τον Thomas Buchner, διδακτορικό φοιτητή στην ομάδα του καθηγητή ρομποτικής του ETH Zurich, Robert Katzschmann, και πρώτο συγγραφέα της μελέτης:

“Τώρα χρησιμοποιούμε αργά σκληρυνόμενα πολυμερή thiolene. Αυτά έχουν πολύ καλές ελαστικές ιδιότητες και επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση πολύ πιο γρήγορα μετά την κάμψη σε σύγκριση με τα πολυακρυλικά.”

Η ενσωμάτωση των πολυμερών thiolene ήταν καθοριστική για την παραγωγή του χεριού βάσει των αρχών της μαλακής ρομποτικής. Επειδή το ρομποτικό χέρι είναι τόσο μαλακό όσο ένα πραγματικό ανθρώπινο χέρι, έχει λιγότερο κίνδυνο τραυματισμού και μπορεί να χειρίζεται πιο ευαίσθητα αντικείμενα. 

Για να ενσωματωθεί η μαλακή ρομποτική και η προσθετική κατασκευή στην ίδια διαδικασία, οι ερευνητές έπρεπε να εισαγάγουν ορισμένες τροποποιήσεις στην τεχνολογία 3D εκτύπωσης. Πρόσθεσαν έναν 3D laser scanner στην εκτύπωση, ο οποίος μπορεί άμεσα να ελέγχει κάθε εκτυπωμένο στρώμα για πιθανές ανωμαλίες στην επιφάνεια. 

Οι ερευνητές επίσης εισήγαγαν έναν μηχανισμό ανάδρασης για να αντισταθμίσουν αυτές τις ανωμαλίες. Αυτός ο μηχανισμός βοήθησε στην πραγματοποίηση απαραίτητων προσαρμογών σε ένα στρώμα, λαμβάνοντας υπόψη την ανωμαλία, εάν υπήρχε, του προηγούμενου στρώματος. 

Το ETH Zurich ζήτησε τη βοήθεια της Inkbit, της αμερικανικής startup, για την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας εκτύπωσης. 

Inkbit: Η Startup Τεχνολογίας Εκτύπωσης

Ιδρύθηκε το 2017 από τους Davide M. Marini, Javier Ramos και Wojciech Matusik, Inkbit είναι μια startup Σειράς B με έδρα το Medford, Massachusetts, Ηνωμένες Πολιτείες. Ο σκοπός της εταιρείας είναι η δημιουργία μιας πλατφόρμας προσθετικής κατασκευής επόμενης γενιάς που συνδυάζει την 3D εκτύπωση με μηχανική όραση. Η εταιρεία συνεχίζει να καινοτομεί και να αναπτύσσει νέες λύσεις στον τομέα της 3D εκτύπωσης. Για παράδειγμα, στα μέσα Νοεμβρίου αυτού του έτους, παρουσίασε την κατασκευή με μία μόνο εκτύπωση πολύπλοκων πολυλειτουργικών συστημάτων και ρομπότ. 

Μία εβδομάδα νωρίτερα, η εταιρεία παρουσίασε το TEPU 50A, ένα νέο ελαστομερές με μέτρια σκληρότητα. 

Υπάρχουν αρκετοί άλλοι παίκτες στον χώρο που εξυπηρετεί η Inkbit. Όλοι μαζί προσπαθούν να προωθήσουν την πρόοδο στη μαλακή ρομποτική μέσω νέων τεχνικών προσθετικής κατασκευής.

Εταιρείες με Μετασχηματιστικές Τεχνικές Προσθετικής Κατασκευής για την Προώθηση της Μαλακής Ρομποτικής

#1. Flashforge

Πρόσφατα, αναπτύχθηκε ένας 3D-τυπωμένος αρθρωτός μαλακός λαβή με εξαιρετικά προσαρμοστικούς μαλακούς λαβήδες. Τα δάχτυλα αποτελούνταν από ενεργοποιητές μαλακής πνευματικής πίεσης θετικής πίεσης μαζί με ένα μηχανικό μεταμεταλλικό υλικό. Το μεταμεταλλικό υλικό ενσωμάτωσε μια μαλακή αυξομειούμενη (auxetic) δομή και συμπονετικές πτέρυγες. Ο 3D εκτυπωτής που χρησιμοποιήθηκε στη διαδικασία ήταν ένας χαμηλού κόστους, ανοιχτού κώδικα fused deposition modeling 3D εκτυπωτής από την εταιρεία FlashForge Corporation. 

Ιδρύθηκε το 2011, η Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD είναι μία από τις πρώτες επαγγελματικές επιχειρήσεις έρευνας & ανάπτυξης και κατασκευής εξοπλισμού και υλικών 3D εκτύπωσης στην Κίνα. Flashforge προϊόντα ταξιδεύουν σε σχεδόν 100 χώρες και περιοχές παγκοσμίως. 

Έχει αναπτύξει περισσότερους από 600 εξουσιοδοτημένους αντιπροσώπους σε πάνω από 50 χώρες και περιοχές εσωτερικά και στο εξωτερικό. 

Η FlashForge USA εστιάζει στο να κάνει την 3D εκτύπωση ευρέως προσβάσιμη σε ιδρύματα, αρχιτέκτονες, μηχανικούς, σχεδιαστές, βιομηχανικούς χρήστες και τις ευρείες αγορές καταναλωτών και επαγγελματιών. 

Κατά εκτίμηση, η Flashforge έχει έσοδα πάνω από US$15 million, ενώ η FlashforgeUSA έχει πάνω από US$7 million. 

#2. NinjaTek

Ανάμεσα στις πολλές λύσεις της, το Cheetah® 3D Printer Filament της NinjaTek χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία ευέλικτων, ρεαλιστικών οστών για προθετικά χέρια. Ο σχεδιασμός του δαχτύλου απαιτούσε την ενσωμάτωση ενός ευέλικτου 3D-τυπωμένου οστού σε μια σιλικόνη μορφή για τη δημιουργία ρεαλιστικής υφής παρόμοιας με δέρμα και την αύξηση της ανθεκτικότητας και της δύναμης των δαχτύλων. Η ερευνητική ομάδα που σχεδίασε και ανέπτυξε το χέρι βρήκε το ημι-ευέλικτο νήμα Cheetah TPU της NinjaTek πολύ χρήσιμο για το σχεδιασμό του προθετικού κομματιού.

NinjaTek είναι μέρος της Fenner Precision Polymers. Παράγει ειδικά νήματα για τελικούς χρήστες στον χώρο της βιομηχανικής 3D εκτύπωσης. Η εταιρεία είναι τώρα μέρος της Michelin Group. 

Michelin Group κατέγραψε περισσότερα από 28,5 δισεκατομμύρια ευρώ έσοδα το 2022, σε σύγκριση με έσοδα κοντά στα 24 δισεκατομμύρια ευρώ το 2021. Το λειτουργικό εισόδημα της εταιρείας ως ποσοστό των εσόδων ήταν κοντά στο 12% το 2022.

#3. Fictiv

Ένας άλλος σημαντικός παίκτης σε αυτόν τον τομέα είναι η Fictiv, μια εταιρεία που προσφέρει μια ολοκληρωμένη γκάμα υπηρεσιών 3D εκτύπωσης και δείχνει ισχυρή δέσμευση για την προώθηση της μαλακής ρομποτικής. Η εξειδίκευσή τους είναι πολύ περιζήτητη, με μεγάλες εταιρείες μετεχνολογίας όπως η Medtronic να χρησιμοποιούν τις καινοτόμες υπηρεσίες της Fictiv.

Η Fictiv πιστεύει ότι τα μαλακά ρομπότ είναι πιο προσαρμόσιμα και ευέλικτα. Μπορούν “να κατανοούν καλύτερα διάφορα σχέδια λαβής και να προσαρμόζουν τις κινήσεις τους ανάλογα”. Επίσης, βλέπουν τα μαλακά ρομπότ ως πιο “πνευματικά ενεργοποιημένα για το κράτημα αντικειμένων, κάτι που επιτρέπει την εύκολη προσθήκη λειτουργιών αναρρόφησης”. 

Τον Μάιο του 2022, η Fictiv ανακοίνωσε το κλείσιμο μιας σειράς χρηματοδότησης 100 εκατομμυρίων δολαρίων Σειράς Ε. Η σειρά ηγήθηκε από την Activate Capital, με νέους επενδυτές όπως η Angeleno Group, Cross Creek και The Westly Group. Οι άλλοι θεσμικοί επενδυτές της Fictiv περιλαμβάνουν την Accel, τον Bill Gates, την G2 Venture Partners και την Standard Investments. Η χρηματοδότηση Σειράς Ε έφερε το συνολικό επενδυτικό κεφάλαιο στην Fictiv σε 192 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ από την έναρξή της το 2013.

Τεχνολογία 3Δ Εκτύπωσης ή Προσθετικής Κατασκευής στη Μαλακή Ρομποτική: Τι Φέρνει το Μέλλον

Η 3D εκτύπωση ή προσθετική κατασκευή πρόκειται να γίνει μια κεντρική τεχνολογία στη μαλακή ρομποτική λόγω της υψηλής ποιότητας και της δυνατότητας εκτύπωσης πολλαπλών υλικών ταυτόχρονα. 

Τα μαλακά ρομπότ κατασκευάζονται από υγρά, ζελατίνες, λειτουργικά πολυμερή και άλλα εύκολα παραμορφώσιμα υλικά, που βοηθούν τη ρομποτική λύση να παραμένει λειτουργική ακόμη και όταν τεντώνεται ή συμπιέζεται. Σημαντικό είναι ότι αυτά τα υλικά είναι συμβατά με τις τρέχουσες τεχνολογίες 3D εκτύπωσης ή προσθετικής κατασκευής, οι οποίες δεν είναι μόνο ταχύτερες αλλά και πιο αξιόπιστες. Ωστόσο, για να γίνουν καθολικά προσαρμόσιμες, θα πρέπει να βελτιώσουν την κλιμακωσιμότητά τους. 

Ένα ακόμη πλεονέκτημα των νέων τεχνικών προσθετικής κατασκευής είναι η υψηλή εξειδίκευση και η δυνατότητα εκτύπωσης των πιο σύνθετων σχημάτων. 

Οι νέες τεχνικές προσθετικής κατασκευής είναι επίσης χρήσιμες όταν πρόκειται για την τοποθέτηση των πηγών ενέργειας, που αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των περισσότερων νεοαναπτυγμένων μαλακών ρομπότ. Επιπλέον, οι νέες τεχνικές 3D εκτύπωσης βοηθούν στην έξυπνη τοποθέτησή τους εντός των μαλακών ρομποτικών δομών.

Από την άλλη πλευρά, τα τρέχοντα 3D εκτυπώσιμα μαλακά υλικά έχουν σημαντική τάση να παραμορφώνονται υπό τις συνήθεις δυνάμεις που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία κατασκευής λόγω του δικού τους βάρους, απαιτώντας την προσθήκη υποστηρικτικού υλικού. Αυτή η πρόκληση υπογραμμίζει έναν τομέα που χρειάζεται περαιτέρω ανάπτυξη. Ως λύση, έχουν προταθεί υδρογέλια ιξώδους (viscoelastic) που μπορούν να αντέξουν πιέσεις από kilopascals έως megapascals.

Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα έχει επίσης αναπτύξει με επιτυχία μια παντοπτική τεχνική που μπορεί να εκτυπώσει εξαιρετικά μαλακά υλικά όπως υγρά, τα οποία μπορούν να σταθεροποιηθούν μέσω πολυμερισμού σε μεταγενέστερο στάδιο. 

Μια άλλη ερευνητική ομάδα, αποτελούμενη από φοιτητές του Delft University of Technology, εισήγαγε ένα ακόμη συναρπαστικό χαρακτηριστικό. Έχει βοηθήσει στην ανάπτυξη τεχνολογιών 3D εκτύπωσης που μπορούν να χύσουν σιλικόνες σε 3D-τυπωμένα κέλυφος. Η τεχνική είναι χαμηλού κόστους και μπορεί να βοηθήσει τη μαλακή ρομποτική να φτάσει σε νέα ύψη στο μέλλον. 

Με περισσότερη έρευνα και επιστημονικές μελέτες στο θέμα, η προσθετική κατασκευή θα βοηθήσει τη μαλακή ρομποτική να γίνει εξαιρετικά σχετική στον τομέα της ιατρικής και των επιστημών υγείας. Έχει ήδη βοηθήσει στην ανάπτυξη μαλακών ρομποτικών γαντιών 3D-τυπωμένων που είναι χρήσιμα για όσους υποφέρουν από περιορισμένη λειτουργία χεριού, τοπική παράλυση και αρθρίτιδα. 

Οι επιστήμονες έχουν επίσης κατασκευάσει προθετικά χέρια και 3D-τυπωμένα μαλακά ρομπότ με τέσσερα πόδια που μπορούν να περπατήσουν σε μη ομοιόμορφες και τραχιές επιφάνειες όπως χαλίκια και άμμος. 

Εκτός από τη χρήση τους στην ιατρική και την αποκατάσταση, τέτοια μαλακά ρομπότ μπορούν να βοηθήσουν σε επιχειρήσεις διάσωσης ή να χρησιμοποιηθούν για τη συλλογή δεδομένων αισθητήρων από επικίνδυνες περιβάλλοντες.

Συνοψίζοντας, οι ευκαιρίες που παρουσιάζουν οι νέες τεχνικές προσθετικής κατασκευής για την προώθηση της μαλακής ρομποτικής είναι τεράστιες. Απλώς πρέπει να βγουν από το εργαστήριο για μαζική χρήση σε δημόσιο όφελος.

Κάντε κλικ εδώ για τις κορυφαίες δέκα μετοχές προσθετικής κατασκευής και 3D εκτύπωσης.