Kädet kuin ihmisellä: Uusi lisävalmistustekniikka auttaa pehmeitä roboteja menemään oikeasti eteenpäin

Nopeasti kehittyvän robotiikan maisemassa on syntymässä uusi rintama, joka lupailee muuttaa ymmärrystämme alasta: pehmeä robotiikka. Tämä innovatiivinen lähestymistapa tekee edistystä kiitos viimeisimpien lisävalmistustekniikkojen ansiosta.

Tässä artikkelissa tutkimme pehmeän robotiikan valtakuntaa ja tarkastelemme, miten viimeaikaiset edistysaskeleet lisävalmistuksessa vievät tätä teknologiaa eteenpäin.

Mitä on pehmeä robotiikka?

Pehmeä robotiikka pyrkii esittämään teknologioita, jotka muistuttavat enemmän elävien organismien fyysisiä ominaisuuksia, korvaamalla jäykät liikkeet, joita yhdistämme roboteihin. Tämä on biomimeesi, jossa perinteiset lineaariset ja jäykät robotiikan piirteet antavat tilaa sofistikoituneille malleille, pehmeä robotiikka jäljittelee ihmistä, eläintä ja kasvaelämää.

Tutkijat arvioivat, että pehmeän robotiikan markkinat tulevat olemaan merkittävä mahdollisuus tulevaisuudessa, ja sen markkinakoko kasvaa yli 770 miljoonasta Yhdysvaltain dollarista vuonna 2022 lähes 22 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2030 mennessä. Tämä tarkoittaisi valtavaa kasvua, lähes 75 prosentin vuosittainen kasvu.

Harvard Biodesign Labin mukaan, joka auttaa ymmärtämään pehmeän robotiikan teknologiaa, jossa on fluidiset aktuaattorit, joiden elastomeeriset matriisit sisältävät joustavia materiaaleja, kuten kangasta, paperia, kuitua ja hiukkasia, pehmeä robotiikka tulee olemaan suosittu kevyen, edullisen ja helpon mukautuvuutensa vuoksi mihin tahansa sovellukseen.

Pehmeän robotiikan sovellukset

Harvard Biodesign Lab arvioi, että neljä miljoonaa aivoinfarktin selviytyjää, joilla on hemipareesi, Yhdysvalloissa ja kuusi miljoonaa kehittyneissä maissa maailmanlaajuisesti, menettävät usein käsiensä liikuntakyvyn. Pehmeä robotiikka voi auttaa heitä tässä haasteessa kehittämällä modulaarisen, turvallisen, kannettavan, kulutuksen, kotona käytettävän käsien kuntoutus- ja avustuslaitteen.

Yhdysvalloissa sydämen vajaatoiminnan elinikäinen riski on lähellä 20%. Hyödyntämällä pehmeän robotiikan taustalla olevaa teknologiaa, Lab kehittää pöytämallista sydänsimulaattoria ja suoraa sydämen puristuslaite, joka auttaa hoitamaan sydämen vajaatoimintaa.

Kaikkien näiden hyödyllisten sovellusten ja muiden kanssa, pehmeä robotiikka voi pelata merkittävää roolia potilaiden kuntoutus- ja elämänlaatua parantamispyrkimyksissä maailmanlaajuisesti. Mikä tahansa teknologia, joka auttaa edistämään pehmeän robotiikan asiaa, on siten myönteinen. Tarkastelemme joitain tällaisia valmistustekniikoita tänään.

3D-tulostus tai lisävalmistustekniikka pehmeässä robotiikassa

3D-tulostus, jota kutsutaan myös lisävalmistukseksi, on kehittämistä kolmiulotteisia objekteja digitaalisesta tiedostosta. Se on lisävalmistus, koska se perustuu kehittämismenettelyyn.

Lisävalmistusprosessissa objekti kehittyy lokeroiden peräkkäisten kerrosten asettamisella, kunnes lopullinen muoto ja muoto halutusta objektiista saavutetaan.

Kukin näistä kerroksista on vain ohueksi leikattu poikkileikkaus halutusta objektiista. Lisävalmistus eroaa perinteisestä vähentävästä valmistustyylistä, jossa osat halutusta muodosta ja koosta leikataan suuresta lohkareesta aineistoa.

3D-tulostus tai lisävalmistus sisältää yleensä 3D-mallin, 3D-ohjelmiston ja 3D-tulostimen. Prosessi on jo löytänyt sovelluksia kuluttajatuotteiden, teollisuustuotteiden, hammaslääketieteellisten tuotteiden, proteesien, arkkitehtuurin mittakaavamallien ja maquetten, rekonstruoitujen fossiilien, muinaisten esineiden jäljennösten, oikeuspsykologian todistusaineiston, elokuvapropagandan ja paljon muun valmistuksessa.

Nyt se on löytänyt käytettävyytensä myös pehmeän robotiikan sofistikoituneessa alalla. ETH Zürich ja yhdysvaltalainen startup, Inkbit, ovat yhdessä tehneet sen mahdolliseksi.

Kun Inkbit on MIT:n spin-off, ETH Zürichin tiede- ja teknologiayliopisto juontaa juurensa vuoteen 1855, “kun modernin Sveitsin perustajat loivat sen innovaation ja tieteen keskuksena”.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken 3D-tulostuksesta / lisävalmistuksesta.

Teknologia yksityiskohtaisesti

Läpimurto

Läpimurto, jonka ETH Zürichin ja Inkbitin tutkimus on saavuttanut, on laajentanut lisävalmistuksessa tai 3D-tulostuksessa käytettävien materiaalien piiriä. Kun aiemmin teknologia oli rajoitettu nopeasti kovettuviin muoveihin, se on nyt sovellettavissa myös hitaasti kovettuviin muoveihin. Tästä laajennuksesta on monia etuja.

Hyödyt

• Hitaasti kovettuvat muovit ovat parantaneet elastisia ominaisuuksia.
• Ne ovat kestävämpiä ja vankempia.
• Hitaasti kovettuvat muovit mahdollistavat 3D-tulostuksen monimutkaisemmista ja kestävämmistä robottielementeistä.
• Teknologia on yhteensopiva useiden laadukkaiden materiaalien kanssa
• Laajennus tekee siitä helpomman yhdistää pehmeitä, joustavia ja jäykkiä materiaaleja.

Ja lopulta,

• Ne vastaavat vaatimusta luoda hienorakenteisia rakenteita ja osia onteloilla siellä, missä halutaan.

Sovellus

Hitaasti kovettuvien muovien avulla on mahdollista yhdistää pehmeän robotiikan ja lisävalmistuksen hyödyt ja luoda synergia, joka hyödyttää ihmiskuntaa pitkän ajan.

ETH Zürichin tutkijat ovat onnistuneesti kehittäneet robottikätten, jolla on kaikki ihmisen fysiologian ominaisuudet, kuten luut, sidekivet ja jännet. Vaikka se on tehty erilaisista polymeereistä, lopullinen tuote voidaan tehdä yhdessä vaiheessa.

Tutkijoiden mukaan tämä ei olisi ollut mahdollista, jos he eivät olisi voineet sisällyttää hitaasti kovettuvia polymeerejä. Thomas Buchner, tohtorin tutkija ETH Zürichin robotiikan professori Robert Katzschmannin ryhmässä ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja:

“Käytämme nyt hitaasti kovettuvia tiol-eenipolymeerejä. Niillä on erittäin hyvät elastiset ominaisuudet ja ne palaavat alkuperäiseen muotoonsa paljon nopeammin taivutuksen jälkeen kuin polyakrylaatit.”

Tiol-eenipolymeerien sisällyttäminen on ollut pelinmuuttaja pehmeän robotiikan periaatteiden mukaisen käden tuottamisessa. Koska robottikäsi on yhtä pehmeä kuin oikea ihmisen käsi, se on vähemmän loukkaantumisvaarassa ja voi käsitellä hauraita tuotteita paremmin.

Pehmeän robotiikan ja lisävalmistuksen yhdistämiseksi samassa prosessissa tutkijoiden oli tehtävä joitain muutoksia 3D-tulostusteknologiaan. He lisäsivät 3D-laser-skannerin tulostukseen, joka voi välittömästi tarkistaa jokaisen tulostetun kerroksen mahdollisia pinnan epäsäännöllisyyksiä.

Tutkijat esittivät myös palautejärjestelmän korvaamaan nämä epäsäännöllisyydet. Tämä mekanismi auttoi tekemään tarvittavia sovituksia yhteen kerrokseen ottaen huomioon edellisen kerroksen epätasaisuuden, jos sellainen oli.

ETH Zürich sai avustusta yhdysvaltalaiselta startup-yritykseltä Inkbit kehittääkseen tämän tulostusteknologian.

Inkbit: Tulostusteknologian startup

Perustettu vuonna 2017 Davide M. Marinin, Javier Ramosin ja Wojciech Matusikin toimesta, Inkbit on sarjan B -startup, joka sijaitsee Medfordissa, Massachusettsissa, Yhdysvalloissa. Yrityksen tarkoituksena on luoda seuraavan sukupolven lisävalmistusohjelmisto, joka yhdistää 3D-tulostuksen koneen näön. Yritys jatkaa innovointia ja kehittää uusia ratkaisuja 3D-tulostuksen alalla. Esimerkiksi marraskuun puolivälissä se esitti yhden tulostuksen valmistuksen monimutkaisista monitoimiroboottien valmistuksesta.

Viikko aiemmin yritys oli esittänyt TEPU 50A, uuden pehmeän keskikovamuovin.

On muita toimijoita tässä tilassa, jota Inkbit palvelee. Kaikki yhdessä yrittävät edistää pehmeän robotiikan kehitystä uusien lisävalmistustekniikkojen avulla.

Yritykset, joilla on muodonmuuttuvia lisävalmistustekniikoita, joilla voidaan edistää pehmeän robotiikan kehitystä

#1. Flashforge

Viimeaikaisesti kehitettiin 3D-tulostettu modulaarinen pehmeä otin, jossa on erittäin sopeutuvat pehmeät otteet. Sormet koostuivat positiivisen paineen pehmeistä pneumaattisista aktuaattoreista yhdessä mekaanisen metamateriaalin kanssa. Metamateriaali integroi pehmeän auxetiisen rakenteen ja taipuvat ribit. 3D-tulostin, jota käytettiin prosessissa, oli FlashForge Corporationin halpa, avoimen lähdekoodin fused deposition modeling 3D-tulostin.

Perustettu vuonna 2011, Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD on yksi ensimmäisistä 3D-tulostustekniikan ja -materiaalien tutkimus- ja valmistusyrityksistä Kiinassa. Flashforge -tuotteet matkustavat lähes 100 maahan ja alueelle maailmanlaajuisesti.

Se on kehittänyt yli 600 brändin jälleenmyyjää yli 50 maassa ja alueella kotimaassa ja ulkomailla.

FlashForge USA keskittyy tekemään 3D-tulostuksesta laajasti saatavilla instituutioille, arkkitehteille, insinööreille, suunnittelijoille, teollisuusasiakkaille ja laajaan kuluttaja- ja ammattikäyttäjämarkkinoille.

Arvioiden mukaan Flashforgeilla on yli 15 miljoonan Yhdysvaltain dollarin liikevaihto, kun taas Flashforge USA:lla on yli 7 miljoonan Yhdysvaltain dollarin liikevaihto.

#2. NinjaTek

NinjaTekin monien ratkaisujen joukossa sen Cheetah® 3D-tulostusfilamentti käytettiin joustavia, elämänmukaisia luita proteesikäsille. Sormien suunnittelu vaati joustavan 3D-tulostetun luun upottamista silikonimalliin luodakseen realistisen, ihonkaltaisen tekstuurin ja lisatakseen sormien vahvuutta ja kestävyyttä. Tutkimusryhmä, joka suunnitteli ja kehitti kättä, piti NinjaTekin puolijoustavaa Cheetah TPU -filamenttia erittäin hyödyllisenä suunnittelussa.

NinjaTek on osa Fenner Precision Polymersia. Se tuottaa erikoisfilamentteja 3D-tulostuksen teollisuusasiakkaille. Yritys on nyt Michelin Groupin yritys.

Michelin Group kirjasi yli 28,5 miljardin euron liikevaihdon vuonna 2022, verrattuna 24 miljardin euron liikevaihtoon vuonna 2021. Yrityksen liikevoitto liikevaihdosta oli lähellä 12 prosenttia vuonna 2022.

#3. Fictiv

Toinen avainpelaaja tässä alalla on Fictiv, joka tarjoaa kattavan valikoiman 3D-tulostuspalveluita ja osoittaa vahvan sitoutumisen edistämään pehmeän robotiikan kehitystä. Heidän asiantuntemustaan etsitään, ja suuret med-tech -yritykset, kuten Medtronic, hyödyntävät Fictivin innovatiivisia palveluita.

Fictiv uskoo, että pehmeät robotit ovat sopeutuvampia ja joustavampia. Ne “voivat paremmin ymmärtää erilaisia käsittelysuunnittelua ja sopeuttaa liikkeitään sen mukaan.” Ne näkevät myös pehmeät robotit “ilmaan aktiivisina, jotta ne voivat lisätä imukykyä helposti.”

Maaliskuussa 2022 Fictiv ilmoitti 100 miljoonan Yhdysvaltain dollarin rahoituksen saamisesta sarjan E -rahoituskierroksessa. Kierros johti Activate Capitaliin, 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. Sarjan E -rahoitus kasvatti Fictivin kokonaan saamaa rahoitusta 192 miljoonaan Yhdysvaltain dollariin sen toiminnan aloittamisesta vuonna 2013 lähtien.

3D-tulostus tai lisävalmistustekniikka pehmeässä robotiikassa: Mitä tulevaisuus pitää?

3D-tulostus tai lisävalmistus on tuleva avainTeknologia pehmeässä robotiikassa sen korkean laadun ja kyvyn tulostaa useita materiaaleja samanaikaisesti.

Pehmeät robotit valmistetaan nesteistä, geelistä, toiminnalllisista polymeereistä ja muista helposti muovattavista materiaaleista, jotka auttavat robotti-ratkaisun säilyttämisessä toiminnassa, vaikka se venytetään ja puristetaan. Tärkeää on, että nämä materiaalit ovat yhteensopivia nykyisten 3D-tulostus- tai lisävalmistusteknologioiden kanssa, jotka eivät ole vain nopeampia vaan myös luotettavampia. Niiden on kuitenkin oltava skaalautuvia, jotta ne voivat olla yleisesti sovellettavissa.

Uudet lisävalmistustekniikat ovat myös hyödyllisiä, kun on kyse voimanlähteiden sijoittamisesta, jotka ovat useimmissa uusissa pehmeissä roboteissa olennainen osa. Lisäksi uudet 3D-tulostustekniikat auttavat älykkäästi sijoittamaan ne pehmeiden robottirakenteiden sisällä.

Toisaalta nykyisesti saatavilla olevat 3D-tulostettavat pehmeät materiaalit ovat taipuvaisia muovautumaan normaaleissa voimissa rakennusprosessin aikana omien painojensa vuoksi, mikä edellyttää tukimateriaalin käyttöä. Tämä haaste korostaa alueen, joka on valmis kehitykseen. Ratkaisuksi on kehittynyt viskoelastisia hydrogeeli, jotka voivat kestää paineita, jotka vaihtelevat kilopascaleista megapascaleihin.

Viimeaikaisesti tutkimusryhmä on onnistuneesti kehittänyt kaikkisuuntaisen tekniikan, joka voi tulostaa erittäin pehmiä materiaaleja, kuten nesteitä, jotka voidaan polymerisoida myöhemmässä vaiheessa.

Toinen tutkimusryhmä, joka koostuu Delftin teknillisen yliopiston opiskelijoista, on esittänyt toisen jännittävän ominaisuuden. Se on auttanut kehittämään 3D-tulostustekniikoita, jotka voivat valaa silikonia 3D-tulostettuihin kuoriin. Tekniikka on edullinen ja voi auttaa pehmeän robotiikan saavuttamaan uusia korkeuksia tulevaisuudessa.

Lisätutkimuksella ja tieteellisillä tutkimuksilla aiheesta, lisävalmistus auttaa pehmeän robotiikan tulemaan erittäin relevantiksi lääke- ja terveydenhuollon tieteen alalla. Se on jo auttanut kehittämään pehmeän robotiikan 3D-tulostettuja käsineitä, jotka ovat hyödyllisiä niille, joilla on rajoitettu käsien toimintakyky, paikallinen halvaus ja niveltulehdus.

Tutkijat ovat myös rakentaneet proteesikätten ja 3D-tulostettuja pehmiä roboteja, joilla on neljä jalkaa, jotka voivat kävellä epätasaisilla ja karkeilla pinnoilla, kuten kivillä ja hiekkalla.

Pehmeiden robottien lisäksi niiden lääkinnällinen ja terveydenhuollon käyttö, ne voivat auttaa pelastusoperaatioissa tai kerätä anturidata vaarallisista ympäristöistä.

Yhteenvetona, uusien lisävalmistustekniikkojen tarjoamat mahdollisuudet pehmeän robotiikan edistämiseksi ovat valtavat. Se vain tarvitsee tulla laboratoriosta suurelle yleisölle hyvinvointiin.

Klikkaa tästä kymmenen parhaan lisävalmistus- ja 3D-tulostusosakkeen katselua varten.