Kädet kuin ihmisen: Uusi lisävalmistus auttaa pehmeärobotiikkaa toteutumaan

Robotiikan nopeasti kehittyvässä maisemassa nousee esiin uusi raja-alue, joka lupaa muokata käsitystämme alasta: pehmeärobotiikka. Tämä innovatiivinen lähestymistapa etenee kiitos huipputason lisävalmistustekniikat. 

Tässä artikkelissa tarkastelemme pehmeärobotiikan aluetta ja tutkimme, miten viimeaikaiset lisävalmistuksen edistysaskeleet vievät tätä teknologiaa eteenpäin.

Mitä on pehmeärobotiikka?

Pehmeärobotiikka pyrkii tuomaan teknologioita, jotka muistuttavat enemmän elävien organismien fyysisiä ominaisuuksia, korvaten robotteihin liitetyt jäykät liikkeet. Se nähdään biomimetiikan muotona, jossa perinteiset lineaariset ja jäykät robotin piirteet antautuvat tilalle kehittyneemmille malleille; pehmeärobotiikka jäljittelee ihmisen, eläimen ja kasvien elämää. 

Tutkijat arvioivat pehmeärobotiikan markkinat tulevan merkittäväksi mahdollisuudeksi tulevaisuudessa, markkinoiden koon kasvaessa yli 770 miljosta Yhdysvaltain dollaria vuonna 2022 lähes 22 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä. Tämä tarkoittaisi noin 75 % CAGR:n valtavaa kasvua. 

Harvard Biodesign Labin mukaan, joka auttaa ymmärtämään pehmeärobotiikan teknologiaa nestemäisinä toimilaitteina, joissa on elastomeerisia matriiseja upotetuilla joustavilla materiaaleilla kuten kankaalla, paperilla, kuidulla ja hiukkasilla, pehmeärobotiikka tulee olemaan suosittua keveyden, edullisuuden ja helpon räätälöitävyyden vuoksi tiettyyn sovellukseen. 

Pehmeärobotiikan joitakin sovelluksia

Harvard Biodesign Lab arvioi, että Yhdysvalloissa on tällä hetkellä neljä miljoonaa kroonista aivohalvauksen selviytyjää, joilla on hemipareesi, ja lisäksi kuusi miljoonaa muissa kehittyneissä maissa maailmanlaajuisesti. Nämä selviytyjät menettävät usein käsien motoriset kyvyt. Pehmeärobotiikka voi auttaa heitä ratkaisemaan tämän haasteen kehittämällä modulaarisen, turvallisen, kannettavan, kulutettavan kotikäyttöisen käden kuntoutus- ja avustavan laitteen. 

Yhdysvalloissa sydämen vajaatoiminnan elinikäisen riskin arvioidaan olevan noin 20%. Hyödyntäen pehmeärobotiikan teknologiaa, laboratorio kehittää pöytämallisen sydänsimulaattorin ja Direct Cardiac Compression (DCC) -laitteen, jotka auttavat hoitamaan sydämen vajaatoimintaa. 

Näiden hyödyllisten sovellusten ja monien muiden myötä pehmeärobotiikka voi näytellä merkittävää roolia potilaiden kuntoutuksessa ja elämänlaadun parantamisessa maailmanlaajuisesti. Kaikki teknologia, joka edistää pehmeärobotiikan kehitystä, on siis positiivista. Keskustelemme tänään joistakin tällaisista valmistustekniikoista. 

3D-tulostus tai lisävalmistusteknologia pehmeärobotiikassa

3D-tulostus, myös tunnettu nimellä lisävalmistus, käsittelee kolmiulotteisten objektien kehittämistä digitaalisesta tiedostosta. Sitä kutsutaan lisävalmistukseksi sen sisäisen kehitysprosessin vuoksi. 

Lisävalmistusprosessissa kohde kehitetään asettamalla peräkkäisiä materiaalikerroksia, kunnes haluttu lopullinen muoto ja rakenne saavutetaan. 

Jokainen näistä kerroksista on käytännössä ohut viipale halutun kohteen poikkileikkauksesta. Lisävalmistus eroaa perinteisestä poistavasta valmistuksesta, jossa halutun muodon ja koon osat leikataan pois suuresta raaka-aineesta. 

3D-tulostus tai lisävalmistus sisältää yleensä 3D-mallin, 3D-ohjelmiston ja 3D-tulostimen. Prosessi on jo löytänyt sovelluksia kuluttajatuotteiden, teollisuustuotteiden, hammaslääkintätuotteiden, proteesien, arkkitehtonisten mittakaavamallien ja makettien, rekonstruoitujen fossiilien, muinaisten esineiden jäljennösten, rikostutkimuksen todisteiden, elokuvien rekvisiittien ja monien muiden valmistuksessa. 

Nykyään se on löytänyt käyttöä myös kehittyneemmällä pehmeärobotiikan alalla. ETH Zurich ja Yhdysvalloissa toimiva startup, Inkbit, ovat yhdessä tehneet sen mahdolliseksi. 

Vaikka Inkbit on MIT:n spin-off, ETH Zurichin Tieteen ja Teknologian yliopisto juontaa juurensa vuoteen 1855, \”kun Sveitsin perustajat loivat sen innovaation ja tiedon keskukseksi\”. 

Klikkaa tästä oppiaksesi lisää 3D-tulostukseen/lisävalmistukseen sijoittamisesta.

Teknologia tarkemmin

Läpimurto

ETH Zurichin ja Inkbitin tutkimuksen läpimurto on laajentanut materiaalien valikoimaa, joita voidaan käyttää lisävalmistuksessa tai 3D-tulostuksessa. Aikaisemmin teknologia rajoittui vain nopeasti kovettuvien muovien käyttöön, mutta nyt se soveltuu myös hitaasti kovettuville muoveille. Tämä laajennus tuo mukanaan monia etuja. 

Hyödyt

• Hitaasti kovettuvat muovit omaavat parannettuja elastisia ominaisuuksia.
• Ne ovat kestävämpiä ja vahvempia.
• Hitaasti kovettuvat muovit mahdollistavat monimutkaisten ja kestävämpien robottiosien 3D-tulostuksen.
• Teknologia on yhteensopiva monenlaisten korkealaatuisten materiaalien kanssa
• Laajennus helpottaa pehmeiden, elastisten ja jäykkien materiaalien yhdistämistä.

Ja lopuksi,

• Ne täyttävät vaatimuksen luoda herkkiä rakenteita ja osia, joissa on haluttuja onteloita. 

Sovellus

Hitaasti kovettuvien muovien avulla on mahdollista yhdistää pehmeärobotiikan ja lisävalmistuksen hyödyt ja luoda synergia, joka hyödyttää ihmiskuntaa pitkään. 

ETH Zurichin tutkijat ovat onnistuneesti kehittäneet robottikäden, jolla on kaikki ihmisen fysiologian ominaisuudet, kuten luut, jänteet ja lihakset. Vaikka se on valmistettu eri polymeereista, lopputuote voidaan valmistaa yhdellä kertaa. 

Tutkijoiden mukaan tämä ei olisi ollut mahdollista ilman hitaasti kovettuvien polymeerien käyttöä. Thomas Buchner, tohtorintutkija ETH Zurichin robotiikka-professorin Robert Katzschmannin ryhmässä ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, sanoi:

“Käytämme nyt hitaasti kovettuvia tiolene-polymeereja. Niillä on erinomaiset elastiset ominaisuudet ja ne palautuvat alkuperäiseen tilaansa paljon nopeammin taivutuksen jälkeen kuin polyakrylaatit.”

Tiolene-polymeerien sisällyttäminen on ollut pelin muuttaja pehmeärobotiikan periaatteiden mukaisen käden valmistuksessa. Koska robottikäsi on yhtä pehmeä kuin oikea ihmisen käsi, se aiheuttaa vähemmän loukkaantumisriskiä ja pystyy käsittelemään hauraita esineitä paremmin. 

Jotta pehmeärobotiikka ja lisävalmistus voitaisiin yhdistää samaan prosessiin, tutkijoiden täytyi tehdä joitakin muutoksia 3D-tulostusteknologiaan. He lisäsivät 3D-laserskannerin tulostukseen, joka voi välittömästi tarkistaa jokaisen tulostetun kerroksen mahdolliset pinnan epätasaisuudet. 

Tutkijat myös ottivat käyttöön palautemekanismin näiden epätasaisuuksien kompensoimiseksi. Tämä mekanismi auttoi tekemään tarvittavat säädöt yhdelle kerrokselle ottaen huomioon mahdolliset epätasaisuudet edellisessä kerroksessa. 

ETH Zurich otti Inkbitin, Yhdysvalloissa toimivan startupin, avuksi kehittämään tätä tulostusteknologiaa. 

Inkbit: Tulostusteknologian startup

Vuonna 2017 Davide M. Marini, Javier Ramos ja Wojciech Matusik perustivat Inkbitin, joka on Series B -startup Medfordissa, Massachusettsissa, Yhdysvallat. Yrityksen tarkoituksena on luoda seuraavan sukupolven lisävalmistusalusta, joka yhdistää 3D-tulostuksen koneenäköön. Yritys jatkaa innovointia ja uusien ratkaisujen kehittämistä 3D-tulostuksen alalla. Esimerkiksi tämän vuoden marraskuun puolivälissä se esitteli yhden tulostuksen avulla valmistetun monimutkaisen monitoimisen järjestelmän ja robotit. 

Viikko aikaisemmin yritys esitteli TEPU 50A:n, uuden pehmeä-keskikova durometer-elastomeerin. 

Alalla on useita muita toimijoita, joille Inkbit tarjoaa palveluita. Kaikki yhdessä pyrkivät edistämään pehmeärobotiikkaa uusien lisävalmistustekniikoiden avulla.

Yritykset, joilla on mullistavia lisävalmistustekniikoita pehmeärobotiikan edistämiseksi

#1. Flashforge

Äskettäin kehitettiin 3D-tulostettu modulaarinen pehmeä tarttija, jossa on erittäin muotoutuvat pehmeät tarttimet. Sormet koostuivat positiivisen paineen pehmeistä pneumaattisista toimilaitteista sekä mekaanisesta metamateriaalista. Metamateriaali sisälsi pehmeän auxettisen rakenteen ja joustavat kyljet. Prosessissa käytetty 3D-tulostin oli edullinen, avoimen lähdekoodin fused deposition modeling 3D-tulostin FlashForge Corporationin valikoimasta. 

Vuonna 2011 perustettu Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD on yksi Kiinan ensimmäisistä ammatillisista 3D-tulostuslaitteiden ja -materiaalien tutkimus- ja valmistusyrityksistä. Flashforge tuotteet kulkevat lähes 100 maahan ja alueelle maailmanlaajuisesti. 

Yritys on kehittänyt yli 600 brändijälleä yli 50 maassa ja alueella kotimaassa ja ulkomailla. 

FlashForge USA keskittyy tekemään 3D-tulostuksesta laajasti saatavilla olevaa instituutioille, arkkitehdeille, insinööreille, suunnittelijoille, teollisuuden käyttäjille sekä laajalle kuluttaja- ja prosumerimarkkinalle. 

Arvioiden mukaan Flashforgella on liikevaihtoa yli US$15 miljoonaa, kun taas FlashforgeUSA:lla on yli US$7 miljoonaa. 

#2. NinjaTek

Monien ratkaisujensa joukossa NinjaTekin Cheetah® 3D Printer Filament käytettiin joustavien, elävän näköisten luiden luomiseen proteettikäsiin. Sormen suunnittelu vaati joustavan 3D-tulostetun luun upottamista silikonimuottiin, jotta saataisiin realistinen ihon kaltainen tekstuuri ja lisättiin sormien kestävyys ja vahvuus. Tutkimusryhmä, joka suunnitteli ja kehitti käden, piti NinjaTekin puolijoustavaa Cheetah TPU -filamenttia erittäin hyödyllisenä proteettisen osan suunnittelussa.

NinjaTek on osa Fenner Precision Polymers -yritystä. Se tuottaa erikoisfilamentteja 3D-tulostuksen teollisuuden loppukäyttäjille. Yritys on nyt Michelin Group -yritys. 

Michelin Group rekisteröi yli 28,5 miljardia euroa liikevaihtoa vuonna 2022, verrattuna lähes 24 miljardiin euroon vuonna 2021. Yrityksen liiketulos suhteessa liikevaihtoon oli noin 12 % vuonna 2022. 

#3. Fictiv

Toinen keskeinen toimija tällä alalla on Fictiv, yritys, joka tarjoaa laajan valikoiman 3D-tulostuspalveluita ja osoittaen vahvan sitoutumisen pehmeärobotiikan edistämiseen. Heidän asiantuntemustaan arvostavat suuret med-tech -yritykset, kuten Medtronic, jotka hyödyntävät Fictivin innovatiivisia palveluita.

Fictiv uskoo, että pehmeät robotit ovat mukautuvampia ja joustavampia. Ne voivat \”ymmärtää paremmin erilaisia kahvan muotoja ja mukauttaa liikkeitään sen mukaan.\” Ne näkevät myös pehmeät robotit \”pneumaattisesti toimivina tarttujina, mikä mahdollistaa imukyvyn helpon lisäämisen.\” 

Lokakuussa 2022 Fictiv julisti 100 miljoonan dollarin Series E -rahoituskierroksen sulkemisesta. Kierrosta johti Activate Capital, mukaan lukien uudet sijoittajat kuten Angeleno Group, Cross Creek ja The Westly Group. Fictivin muut institutionaaliset sijoittajat ovat Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners ja Standard Investments. Series E -rahoitus nosti Fictivin kokonaisinvestoinnin 192 miljoonaan dollariin vuodesta 2013 lähtien. 

3D-tulostus tai lisävalmistusteknologia pehmeärobotiikassa: Mitä tulevaisuus tuo

3D-tulostus tai lisävalmistus tulee olemaan keskeinen teknologia pehmeärobotiikassa sen korkean laadun ja kyvyn vuoksi tulostaa useita materiaaleja samanaikaisesti. 

Pehmeät robotit koostuvat nesteistä, geeleistä, toiminnallisista polymeereista ja muista helposti muovautuvista materiaaleista, jotka auttavat robottiratkaisua pysymään toiminnassa myös venytettäessä ja puristettaessa. Tärkeää on, että nämä materiaalit ovat yhteensopivia nykyisten 3D-tulostus- tai lisävalmistusteknologioiden kanssa, jotka ovat paitsi nopeampia myös luotettavampia. Kuitenkin niiden ollakseen universaalisti sovellettavissa, niiden skaalautuvuutta on parannettava. 

Toinen etu, jonka uudet lisävalmistustekniikat tarjoavat, on niiden korkea tarkkuus ja kyky tulostaa kaikkein monimutkaisimmat muodot. 

Uudet lisävalmistustekniikat ovat myös hyödyllisiä, kun on kyse virtalähteiden sijoittamisesta, jotka ovat olennainen osa useimpia uusimpia pehmeitä robotteja. Lisäksi uudet 3D-tulostustekniikat auttavat älykkäästi sijoittamaan ne pehmeiden robottirakenteiden sisälle.

Toisaalta nykyiset 3D-tulostettavat pehmeät materiaalit taipuvat merkittävästi normaalien rakennusprosessin voimien alla oman painonsa vuoksi, mikä edellyttää tukimateriaalin käyttöä. Tämä haaste korostaa kehitystarvetta. Yksi ratkaisu on ilmennyt viskoelastisten hydrogelien muodossa, jotka kestävät paineita kilopascalista megapascaliin. 

Äskettäin tutkimusryhmä on myös onnistuneesti kehittänyt monisuuntaisen tekniikan, joka voi tulostaa äärimmäisen pehmeitä materiaaleja, kuten nesteitä, jotka voidaan kiinnittää paikalleen polymeroitumalla myöhemmin. 

Toinen tutkimusryhmä, joka koostuu Delftin teknillisen yliopiston opiskelijoista, on esitellyt toisen jännittävän ominaisuuden. He ovat kehittäneet 3D-tulostustekniikoita, jotka voivat valaa silikoneja 3D-tulostettuihin kuoriin. Tekniikka on edullinen ja voi auttaa pehmeärobotiikkaa saavuttamaan uusia korkeuksia tulevaisuudessa. 

Lisää tutkimusta ja tieteellisiä tutkimuksia aiheesta tehtynä, lisävalmistus auttaa pehmeärobotiikkaa tulemaan erittäin merkittäväksi lääketieteen ja terveysalan alalla. Se on jo auttanut kehittämään pehmeitä 3D-tulostettuja käsineitä, jotka ovat hyödyllisiä niille, joilla on rajoitettu käden toiminta, paikallinen halvaus ja nivelrikko. 

Tutkijat ovat myös rakentaneet proteettisia käsiä ja 3D-tulostettuja pehmeitä robotteja, joissa on neljä jalkaa ja jotka voivat kävellä epätasaisilla ja karuilla pinnoilla, kuten kiviä ja hiekkaa. 

Lääkinnällisen ja terveydenhuollon kuntoutuskäytön lisäksi tällaiset pehmeät robotit voivat auttaa pelastustehtävissä tai kerätä anturidataa vaarallisista ympäristöistä.

Yhteenvetona, uudet lisävalmistustekniikat tarjoavat valtavat mahdollisuudet pehmeärobotiikan edistämiseen. Niiden täytyy vain siirtyä laboratoriosta laajamittaiseen käyttöön yleisen hyvän vuoksi. 

Klikkaa tästä saadaksesi kymmenen parhaan lisävalmistus- ja 3D-tulostusosakkeen listan.