Tangan Seperti Manusia: Manufaktur Aditif Baru Membantu Soft Robotics Menjadi Nyata

Salah satu arah penelitian robotika yang menarik adalah robotika lunak, atau soft robotics. Teknik manufaktur aditif baru memungkinkan pembuatan komponen robot yang lebih kompleks dan dapat berubah bentuk.

Dalam artikel ini, kami menjelajahi ranah soft robotics dan memeriksa bagaimana kemajuan terbaru dalam manufaktur aditif mendorong teknologi ini ke depan.

Apa itu Soft-Robotics?

Soft robotics berusaha memperkenalkan teknologi yang lebih mirip dengan karakteristik fisik makhluk hidup, menggantikan gerakan kaku yang biasanya dikaitkan dengan robot. Dianggap sebagai bentuk biomimikri di mana fitur linear dan kaku konvensional robotika digantikan oleh model yang lebih canggih, soft robotics meniru kehidupan manusia, hewan, dan tumbuhan. 

Artikel asli tahun 2023 mengutip proyeksi komersial untuk pasar robotika lunak: dari lebih dari 770 juta dolar AS pada 2022 menjadi hampir 22 miliar dolar pada 2030. Kedua titik tersebut menyiratkan pertumbuhan tahunan majemuk sekitar 52% selama delapan tahun. Angka ini merupakan proyeksi pasar pada saat itu.

Menurut Harvard Biodesign Lab, aktuator fluida lunak dapat dibuat dari matriks elastomer dengan bahan fleksibel seperti kain, kertas, serat, atau partikel yang tertanam di dalamnya. Aktuator ini dapat ringan, terjangkau, dan mudah disesuaikan. Ini salah satu contoh robotika lunak, bukan definisi yang membatasi semua robot lunak pada aktuator tersebut.

Beberapa Aplikasi Soft Robotics

Halaman penelitian Harvard mengutip perkiraan saat itu tentang empat juta penyintas stroke dengan hemiparesis kronis di AS dan enam juta lainnya di negara maju. Ini bukan penghitungan terkini. Penurunan kemampuan motorik tangan dapat menghambat kegiatan sehari-hari. Laboratorium mengembangkan perangkat modular, aman, portabel untuk rehabilitasi serta bantuan tangan di rumah, dengan tujuan terapi lebih terjangkau dan pengguna lebih mandiri.

Literatur lama yang dikutip memperkirakan risiko gagal jantung seumur hidup di AS sekitar 20%. Harvard meneliti simulator jantung untuk penggunaan laboratorium dan kompresi jantung langsung, atau DCC, menggunakan aktuator lunak. DCC membantu gerakan jantung secara mekanis tanpa kontak langsung dengan darah. Pengembangan penelitian tidak sama dengan pengobatan yang sudah terbukti atau disetujui untuk semua pasien.

Robotika lunak berpotensi mendukung rehabilitasi dan kualitas hidup. Nilai setiap penerapan bergantung pada kinerja serta keselamatannya. Berikut ini beberapa teknik manufaktur yang mendukung penelitian tersebut.

Teknologi Pencetakan 3-D atau Manufaktur Aditif dalam Soft Robotics

Pencetakan 3D, atau manufaktur aditif, membangun objek tiga dimensi dari model digital, biasanya dengan menambahkan bahan lapis demi lapis.

Pada proses manufaktur aditif, sebuah objek dibangun dengan menumpuk lapisan material secara berurutan hingga bentuk akhir yang diinginkan tercapai. 

Setiap lapisan mewakili penampang tipis objek. Manufaktur aditif berbeda dari manufaktur subtraktif, yang membuang bahan dari benda kerja lebih besar untuk memperoleh bentuk yang diinginkan.

Pencetakan 3D biasanya memerlukan model digital, perangkat lunak persiapan, dan printer. Penggunaannya mencakup produk konsumen dan industri, komponen kedokteran gigi, prostesis, model arsitektur, rekonstruksi fosil, replika artefak, rekonstruksi untuk penyelidikan forensik, serta properti film.

Pada 15 November 2023, ETH Zürich menjelaskan penelitian bersama Inkbit untuk mencetak struktur robot kompleks dari berbagai polimer dalam satu proses. Penelitian ini memperluas penggunaan pencetakan 3D yang sebelumnya sudah ada dalam robotika lunak, bukan menciptakan bidang tersebut untuk pertama kalinya.

Inkbit merupakan perusahaan yang berasal dari penelitian MIT. ETH Zürich adalah perguruan tinggi teknik federal Swiss yang didirikan pada 1855, bukan universitas sains dan teknologi tersendiri di dalam lembaga bernama ETH Zürich.

Klik di sini untuk mempelajari investasi dalam pencetakan 3D dan manufaktur aditif.

Teknologi Secara Detail

Terobosan

Terobosan tersebut menyangkut penyemprotan bahan dengan umpan balik dari pemindaian laser. Versi sebelumnya menggunakan poliakrilat yang cepat mengeras karena pengikis meratakan permukaan antar-lapisan. Polimer yang lambat mengeras dapat mengotori pengikis. Metode baru memungkinkan penggunaannya; ini tidak berarti semua teknologi pencetakan 3D sebelumnya terbatas pada plastik yang cepat mengeras.

Manfaat

• Polimer lambat mengeras yang digunakan dalam penelitian memiliki sifat elastis yang baik.
• Bahan tersebut dapat menghasilkan komponen lebih kuat dan tahan lama daripada bahan sebelumnya.
• Plastik yang mengeras lambat memungkinkan pencetakan 3D elemen robotik yang kompleks dan lebih tahan lama.
• Teknologi ini kompatibel dengan berbagai material berkualitas tinggi
• Peningkatan ruang lingkup memudahkan penggabungan material lunak, elastis, dan kaku.

Dan akhirnya,

• Mereka memenuhi kebutuhan untuk membuat struktur halus dan bagian dengan rongga sesuai keinginan. 

Aplikasi

Pilihan bahan ini memperluas kemungkinan menggabungkan robotika lunak dengan manufaktur aditif. Manfaatnya bergantung pada bahan, rancangan, dan penggunaannya.

Para peneliti mencetak tangan robot dengan struktur polimer yang meniru tulang, ligamen, dan tendon dalam satu proses. Tangan itu tidak memiliki seluruh sifat fisiologis tangan manusia. Bagian kaku dan elastis dibuat dari polimer yang berbeda.

Menurut para peneliti, hal ini tidak akan mungkin terjadi jika mereka tidak dapat menyertakan polimer yang mengeras lambat. Menurut Thomas Buchner, mahasiswa doktoral dalam kelompok profesor robotika ETH Zurich Robert Katzschmann dan penulis pertama studi ini:

“Kami kini menggunakan polimer thiolene yang mengeras lambat. Polimer ini memiliki sifat elastis yang sangat baik dan kembali ke keadaan semula jauh lebih cepat setelah dibengkokkan dibandingkan dengan poliakrilat.”

Kekakuan polimer tiolena dapat disesuaikan dan pemulihannya yang cepat cocok untuk ligamen elastis. Menurut peneliti, robot berbahan lunak dapat lebih aman saat berinteraksi dengan manusia dan lebih sesuai untuk benda rapuh daripada robot logam konvensional. Risikonya tetap bergantung pada penggerak dan cara penggunaan.

Untuk mengakomodasi soft robotics dan manufaktur aditif dalam proses yang sama, para peneliti harus memperkenalkan beberapa modifikasi pada teknologi pencetakan 3D. Mereka menambahkan pemindai laser 3D ke printer, yang dapat langsung memeriksa setiap lapisan cetakan untuk potensi ketidakteraturan permukaan. 

Mekanisme umpan balik menghitung penyesuaian jumlah bahan saat mencetak lapisan berikutnya untuk mengimbangi ketidakrataan yang terukur. Sistem mempertimbangkan permukaan lapisan sebelumnya, bukan mengikisnya hingga rata.

Inkbit mengembangkan teknologi pencetakannya. Peneliti ETH Zürich mengembangkan penerapan robot dan membantu mengoptimalkan proses untuk polimer lambat mengeras. Penelitian bersama itu diterbitkan dalam Nature.

Inkbit: Startup Teknologi Pencetakan

Didirikan pada 2017 oleh Davide Marini, Javier Ramos, dan Wojciech Matusik, Inkbit digambarkan dalam artikel 2023 sebagai perusahaan pasca-pendanaan Seri B yang berlokasi di Medford, Massachusetts. Platformnya memadukan pencetakan 3D dengan visi mesin. Pada November 2023, peneliti menunjukkan sistem multifungsi dan robot yang dibuat dalam satu proses pencetakan.

Inkbit memperkenalkan TEPU 50A pada 7 November 2023, elastomer dengan kekerasan Shore sekitar 50A. Bahan ini ditujukan antara lain untuk komponen yang memerlukan fleksibilitas, penyekatan, dan ketelitian dimensi.

Perusahaan lain juga mengembangkan peralatan, bahan, dan layanan manufaktur aditif yang dapat mendukung robotika lunak.

Perusahaan dengan Teknik Manufaktur Aditif Transformasional untuk Membantu Memajukan Soft Robotics

#1. Flashforge

Penelitian yang terbit pada 7 Januari 2022 menjelaskan pencengkeram lunak modular dengan jari yang menyesuaikan bentuk benda. Jarinya memadukan aktuator pneumatik bertekanan positif dengan metamaterial mekanis berupa struktur auksetik dan rusuk lentur. Peneliti memakai pencetakan FDM dengan FlashForge Inventor dan TPU NinjaFlex dari NinjaTek. Menurut studi, jari dicetak dalam satu tahap tanpa bahan penyangga.

Flashforge didirikan pada 2011 sebagai produsen printer 3D dan bahan di Tiongkok. Profil perusahaan yang dikutip artikel menyatakan produk Flashforge menjangkau hampir 100 negara dan wilayah. Ini merupakan keterangan perusahaan pada masa itu.

Profil itu juga menyebut lebih dari 600 dealer di lebih dari 50 negara dan wilayah. Angka tersebut bukan penghitungan terkini yang diaudit secara independen.

FlashForge USA fokus pada membuat pencetakan 3D dapat diakses secara luas untuk institusi, arsitek, insinyur, desainer, pengguna industri, serta pasar konsumen dan prosumer yang luas. 

Artikel mengutip perkiraan basis data perusahaan ZoomInfo: pendapatan Flashforge lebih dari 15 juta dolar AS dan Flashforge USA lebih dari 7 juta dolar AS. Ini bukan angka laporan keuangan yang diaudit dan tidak boleh langsung dijumlahkan sebagai pendapatan entitas yang pasti terpisah.

#2. NinjaTek

Dalam studi kasus NinjaTek, tim University of Illinois Urbana-Champaign menggunakan filamen TPU Cheetah® untuk struktur lentur menyerupai tulang pada tangan prostetik. Bagian cetak ditanam dalam silikon agar permukaannya seperti kulit dan lebih tahan benturan. Tim menghargai fleksibilitas, kualitas cetak, serta kekuatan tarik filamen. Ini struktur prostesis sintetis, bukan tulang biologis yang dicetak.

NinjaTek merupakan bagian Fenner Precision Polymers dan memproduksi filamen khusus untuk pencetakan 3D. Michelin menyelesaikan akuisisi Fenner pada Mei 2018, sehingga hubungan grup itu sudah ada ketika artikel diterbitkan pada 2023.

Michelin Group melaporkan pendapatan 2022 sebesar 28,590 miliar euro, dibandingkan 23,795 miliar pada 2021. Laba operasi segmen sebesar 3,396 miliar euro, atau 11,9% pendapatan. Margin segmen ini berbeda dari margin laba operasi total yang dilaporkan.

#3. Fictiv

Fictiv menyediakan layanan pencetakan 3D dan membahas potensi robotika lunak. Perusahaan menyebut Medtronic sebagai salah satu pelanggan teknologi medisnya. Penggunaan layanan manufaktur tidak dengan sendirinya membuktikan setiap pelanggan memakai robot lunak.

Fictiv menggunakan contoh hipotetis robot lunak yang belajar mengoperasikan berbagai gagang pintu dengan sensor, visi mesin, dan pembelajaran penguatan. Bahan lunak itu sendiri tidak memahami gagang. Pencengkeram pneumatik juga dapat dipadukan dengan fungsi hisap.

Pada 5 Mei 2022, Fictiv mengumumkan penyelesaian pendanaan Seri E sebesar 100 juta dolar AS yang dipimpin Activate Capital. Investor baru meliputi Angeleno Group, Cross Creek, dan The Westly Group. Investor lama mencakup Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners, serta Standard Investments; Bill Gates adalah individu, bukan institusi. Total dana yang terkumpul sejak pendirian pada 2013 mencapai 192 juta dolar saat itu.

Teknologi Pencetakan 3-D atau Manufaktur Aditif dalam Soft Robotics: Apa yang Akan Terjadi di Masa Depan

Pencetakan 3D sudah menjadi teknik penelitian penting bagi robotika lunak sebelum 2023, antara lain karena kemampuannya membentuk geometri kompleks dan menggabungkan bahan.

Robot lunak dapat mengandung cairan, gel, polimer fungsional, dan bahan yang mudah berubah bentuk. Kemampuan bekerja saat diregangkan atau ditekan bergantung pada rancangan dan beban. Tersedia proses cetak yang sesuai untuk berbagai bahan, tetapi tidak semua bahan cocok dengan setiap printer. Kecepatan, keandalan, dan peningkatan skala tetap merupakan tantangan menurut penerapannya.

Keuntungan lain dari teknologi manufaktur aditif baru adalah spesifisitas tinggi dan kemampuan mencetak bentuk paling kompleks. 

Manufaktur aditif juga membantu membuat ruang dan struktur untuk sumber energi terintegrasi. Pasokan energi itu sendiri harus dirancang sesuai kebutuhan dan dipadukan secara aman dengan sistem lunak.

Sebagian bahan cetak lunak berubah bentuk akibat beratnya sendiri selama pembuatan dan memerlukan penyangga. Tinjauan tahun 2018 membahas hidrogel viskoelastik dan struktur pendukung. Tinjauan itu menyebut beban dalam kisaran kilopascal hingga megapascal, tetapi daya tahan sebenarnya bergantung pada komposisi serta geometri bahan.

Dalam tinjauan 2018, penelitian sebelumnya dari kelompok Jennifer Lewis menjelaskan pencetakan berbagai arah pada bahan sangat lunak yang kemudian ditahan melalui polimerisasi. Ini bukan penemuan baru tahun 2023.

Tinjauan yang sama membahas UltiCast, yang dikembangkan tim Delft University of Technology. Silikon dicor dalam cetakan yang dibuat dengan printer 3D. Jadi, metode ini memadukan pencetakan dan pengecoran, bukan mencetak silikon secara langsung. Metode tersebut dapat menekan biaya untuk bagian lunak tertentu yang kompleks.

Tinjauan itu juga membahas prototipe sarung tangan robot lunak untuk membantu fungsi tangan terbatas, kelumpuhan lokal, dan artritis. Potensi rehabilitasi tersebut belum menjamin efektivitas klinis setiap alat untuk semua kondisi.

Para ilmuwan juga telah membangun tangan prostetik dan robot lunak yang dicetak 3D dengan empat kaki yang dapat berjalan di permukaan tidak merata dan kasar seperti kerikil dan pasir. 

Selain penggunaan medis dan rehabilitasi kesehatan, robot lunak semacam itu dapat membantu dalam operasi penyelamatan atau digunakan untuk mengumpulkan data sensor dari lingkungan berbahaya. 

Teknik manufaktur aditif baru membuka banyak kemungkinan bagi robotika lunak. Beberapa penggunaan industri sudah ada. Perluasan skala memerlukan kinerja andal, keselamatan, biaya produksi yang sesuai, serta penilaian klinis bila diperlukan untuk masing-masing penerapan.

Klik di sini untuk sepuluh saham manufaktur aditif dan pencetakan 3D teratas.