Handen als een Mens: Nieuwe Additieve Productie Helpt Soft Robotics Echt Worden

In het snel evoluerende landschap van robotica ontstaat een nieuw front dat belooft ons begrip van het vakgebied te hervormen: soft robotics. Deze innovatieve benadering maakt snelle vooruitgang dankzij geavanceerde additieve productietechnieken. 

In dit artikel verkennen we het domein van soft robotics en onderzoeken we hoe recente ontwikkelingen in additieve productie deze technologie vooruit stuwen.

Wat is Soft-Robotics?

Soft robotics probeert technologieën te introduceren die de fysieke kenmerken van levende organismen beter nabootsen, waardoor de stijve bewegingen die we met robots associëren worden vervangen. Het wordt beschouwd als een vorm van biomimicry waarbij de conventionele lineaire en stijve eigenschappen van robotica wijken om plaats te maken voor geavanceerde modellen; soft robotics imiteert menselijk, dierlijk en plantaardig leven. 

Onderzoekers schatten dat de soft robotics-markt een aanzienlijk grote kans zal worden in de toekomst, met een marktgrootte die groeit van meer dan US$770 miljoen in 2022 tot bijna US$22 miljard tegen 2030. Dit zou een fenomenale groei van bijna 75 % CAGR betekenen. 

Volgens het Harvard Biodesign Lab, dat helpt de technologie van soft robotics te begrijpen als fluïdactuatoren met elastomere matrixen waarin flexibele materialen zoals stof, papier, vezel en deeltjes zijn ingebed, zal soft robotics populair worden vanwege hun lichtgewicht, betaalbaarheid en gemakkelijke aanpasbaarheid aan een specifieke toepassing. 

Enkele Toepassingen van Soft Robotics

Het Harvard Biodesign Lab schat dat er vandaag in de VS vier miljoen chronische beroerteoverlevenden met hemiparese zijn en nog eens zes miljoen in andere ontwikkelde landen wereldwijd. Deze overlevenden verliezen vaak de motorische vaardigheden van hun handen. Soft Robotics kan hen helpen deze uitdaging aan te gaan door een modulair, veilig, draagbaar, verbruikbaar, thuis te gebruiken handrevalidatie- en assistentietoestel te ontwikkelen. 

In de Verenigde Staten is het levenslange risico op het ontwikkelen van hartfalen bijna 20%. Door gebruik te maken van de technologie achter soft robotics ontwikkelt het Lab een bench-top hartsimulator en een Direct Cardiac Compression (DCC)-apparaat dat zal helpen bij de behandeling van hartfalen. 

Met al deze nuttige toepassingen en meer kan Soft Robotics een belangrijke rol spelen in patiëntrevalidatie en inspanningen om de kwaliteit van leven wereldwijd te verbeteren. Elke technologie die de voortgang van soft robotics bevordert, is dus een positieve. We zullen vandaag enkele van die productietechnieken bespreken. 

3D-printen of Additieve Productietechnologie in Soft Robotics

3D printing, ook wel additieve productie genoemd, gaat over het ontwikkelen van driedimensionale objecten vanuit een digitaal bestand. Het wordt additieve productie genoemd vanwege het inherente ontwikkelingsproces. 

In het additieve productieproces wordt een object ontwikkeld door opeenvolgende lagen materiaal neer te leggen totdat de uiteindelijke vorm en structuur van het gewenste object zijn bereikt. 

Elke laag is niets anders dan een dun gesneden dwarsdoorsnede van het gewenste object. Additieve productie verschilt van de traditionele subtractieve productie, waarbij delen van de gewenste vorm en afmetingen uit een groot blok grondmateriaal worden gesneden. 

3D-printen of additieve productie omvat meestal een 3D-model, 3D-software en een 3D-printer. Het proces heeft al toepassingen gevonden in de productie van consumentenproducten, industriële producten, tandheelkundige producten, protheses, architecturale schaalmodellen en maquettes, gereconstrueerde fossielen, replica’s van oude artefacten, gereconstrueerd bewijsmateriaal in forensische psychologie, filmprops en meer. 

Nu heeft het bruikbaarheid gevonden in het meer geavanceerde veld van soft robotics. ETH Zurich en een Amerikaanse startup, Inkbit, hebben dit gezamenlijk mogelijk gemaakt. 

Hoewel Inkbit een MIT spin-off is, gaat de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van ETH Zurich terug tot 1855, “toen de oprichters van het moderne Zwitserland het oprichtten als een centrum voor innovatie en kennis.” 

Click here to learn all about investing in 3D Printing/additive manufacturing.

De Technologie in Detail

De Doorbraak

De doorbraak die het onderzoek van ETH Zurich en Inkbit heeft bereikt, is dat het de reikwijdte van materialen die in additieve productie of 3D-printen kunnen worden gebruikt, heeft uitgebreid. Terwijl de technologie eerder alleen beperkt was tot snel uithardende kunststoffen, is deze nu ook geschikt voor langzaam uithardende kunststoffen. Er zijn veel voordelen aan deze uitbreiding van de reikwijdte. 

De Voordelen

• Langzaam uithardende kunststoffen hebben verbeterde elastische eigenschappen.
• Ze zijn duurzamer en robuuster.
• Langzaam uithardende kunststoffen maken het mogelijk om complexe en duurzamere robotonderdelen te 3D-printen.
• De technologie is compatibel met een verscheidenheid aan hoogwaardige materialen
• De uitbreiding van de reikwijdte maakt het makkelijker om zachte, elastische en stijve materialen te combineren.

En tenslotte,

• Ze voldoen aan de eis om delicate structuren en onderdelen met holtes te creëren waar en wanneer gewenst. 

De Toepassing

Met langzaam uithardende kunststoffen is het mogelijk geworden de voordelen van soft robotics en additieve productie te combineren en een synergie te creëren die de mensheid gedurende lange tijd ten goede zal komen. 

De onderzoekers van ETH Zurich hebben met succes een robothand ontwikkeld die alle kwaliteiten van de menselijke fysiologie bezit, zoals botten, ligamenten en pezen. Hoewel gemaakt van verschillende polymeren, kon het eindproduct in één keer worden vervaardigd. 

Volgens de onderzoekers zou dit niet mogelijk zijn geweest als ze geen langzaam uithardende polymeren hadden kunnen opnemen. Volgens Thomas Buchner, een promovendus in de groep van ETH Zurich-robotica professor Robert Katzschmann en de eerste auteur van de studie:

“We gebruiken nu langzaam uithardende thiolene-polymeren. Deze hebben zeer goede elastische eigenschappen en keren veel sneller terug naar hun oorspronkelijke staat na buigen dan polyacrylaten.”

De opname van thiolene-polymeren is een keerpunt geweest voor het produceren van de hand volgens de principes van soft robotics. Omdat de robothand net zo zacht is als een echte menselijke hand, is het risico op letsel kleiner en kan het fragiele goederen beter hanteren. 

Om soft robotics en additieve productie in hetzelfde proces te integreren, moesten de onderzoekers enkele aanpassingen aan de 3D-printtechnologie doorvoeren. Ze voegden een 3D-laserscanner toe aan de printer, die elke geprinte laag onmiddellijk kan controleren op mogelijke oppervlakteruwheden. 

De onderzoekers introduceerden ook een feedbackmechanisme om deze onregelmatigheden te compenseren. Dit mechanisme hielp noodzakelijke aanpassingen aan één laag te maken, rekening houdend met eventuele oneffenheden van de vorige laag. 

ETH Zurich heeft de hulp van Inkbit, de Amerikaanse startup, ingeroepen om deze printtechnologie te ontwikkelen. 

Inkbit: De Printtechnologie Startup

Opgericht in 2017 door Davide M. Marini, Javier Ramos en Wojciech Matusik, is Inkbit een Series B startup gevestigd in Medford, Massachusetts, Verenigde Staten. Het doel van het bedrijf is een next-generation additieve productplatform te creëren dat 3D-printen combineert met machinale visie. Het bedrijf blijft innoveren en nieuwe oplossingen ontwikkelen op het gebied van 3D-printen. Bijvoorbeeld, halverwege november dit jaar toonde het de fabricage in één print van complexe multifunctionele systemen en robots. 

Een week eerder had het bedrijf TEPU 50A geïntroduceerd, een nieuw zacht-middelhoog durometer-elastomeer. 

Er zijn verschillende andere spelers in de sector die Inkbit bedient. Samen proberen ze vooruitgang in soft robotics te stimuleren via nieuwe additieve productietechnieken.

Bedrijven met Transformerende Additieve Productietechnieken om Soft Robotics te Bevorderen

#1. Flashforge

Onlangs is een 3D-geprinte modulaire zachte grijper met zeer conformerende zachte grijpers ontwikkeld. De vingers bestonden uit positief-druk zachte pneumatische actuatoren gecombineerd met een mechanisch metamateriaal. Het metamateriaal integreerde een zachte auxetische structuur en flexibele ribben. De 3D-printer die in het proces werd gebruikt, was een goedkope, open-source fused deposition modeling (FDM) 3D-printer van FlashForge Corporation. 

Opgericht in 2011 is Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD een van de eerste professionele 3D-printapparatuur- en materiaalonderzoeks- en productiebedrijven in China. Flashforge-producten reizen naar bijna 100 landen en regio’s wereldwijd. 

Het heeft meer dan 600 merkdealers ontwikkeld in meer dan 50 landen en regio’s, zowel nationaal als internationaal. 

FlashForge USA richt zich op het breed toegankelijk maken van 3D-printen voor instellingen, architecten, ingenieurs, ontwerpers, industriële gebruikers en de brede consumenten- en prosumermarkten. 

Geschat heeft Flashforge een omzet van meer dan US$15 million, terwijl FlashforgeUSA meer dan US$7 million heeft. 

#2. NinjaTek

Onder zijn vele oplossingen werd NinjaTek’s Cheetah® 3D Printer Filament gebruikt om flexibele, levensechte botten voor prothetische handen te creëren. Het vingerontwerp vereiste het inbedden van een flexibele 3D-geprinte bot in een siliconenmal om een realistische huidachtige textuur te creëren en de robuustheid en sterkte van de vingers te vergroten. Het onderzoeksteam dat verantwoordelijk was voor het ontwerpen en ontwikkelen van de hand vond NinjaTek’s semi-flexibele Cheetah TPU-filament zeer nuttig bij het ontwerpen van het prothetische onderdeel.

NinjaTek maakt deel uit van Fenner Precision Polymers. Het produceert speciaal filament voor eindgebruikers in de industriële 3D-printsector. Het bedrijf is nu een Michelin Group Company. 

Michelin Group noteerde in 2022 een omzet van meer dan 28,5 miljard euro, vergeleken met een omzet van bijna 24 miljard euro in 2021. Het operationele resultaat van het bedrijf als percentage van de omzet bedroeg in 2022 ongeveer 12 %. 

#3. Fictiv

Een andere belangrijke speler in dit veld is Fictiv, een bedrijf dat een uitgebreid scala aan 3D-printservices aanbiedt en een sterke toewijding toont aan de vooruitgang van soft robotics. Hun expertise is zeer gewild, met grote med-tech bedrijven zoals Medtronic die gebruikmaken van de innovatieve diensten van Fictiv.

Fictiv gelooft dat zachte robots meer aanpasbaar en flexibel zijn. Ze kunnen “beter verschillende handgrepen ontwerpen begrijpen en hun bewegingen dienovereenkomstig aanpassen.” Ze zien zachte robots ook als meer “pneumatisch aangestuurd om objecten te grijpen, wat de eenvoudige toevoeging van zuigcapaciteiten mogelijk maakt.” 

In mei 2022 kondigde Fictiv de afronding van een financieringsronde van $100 miljoen in Serie E aan. De ronde werd geleid door Activate Capital, met nieuwe investeerders zoals de Angeleno Group, Cross Creek en The Westly Group. Andere institutionele investeerders van Fictiv omvatten Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners en Standard Investments. De Serie E-financiering bracht de totale investering in Fictiv op US$192 miljoen sinds de start van de activiteiten in 2013. 

3D-printen of Additieve Productietechnologie in Soft Robotics: Wat de Toekomst Brengt

3D-printen of additieve productie zal een sleuteltechnologie worden in soft robotics vanwege de hoge kwaliteit en het vermogen om meerdere materialen tegelijk te printen. 

Soft robots bestaan uit vloeistoffen, gels, functionele polymeren en andere gemakkelijk vervormbare materialen, die de robotoplossing operationeel houden zelfs bij rekken en knijpen. Belangrijk is dat deze materialen compatibel zijn met de huidige 3D-print- of additieve productietechnologieën, die niet alleen sneller maar ook betrouwbaarder zijn. Om echter universeel aanpasbaar te worden, moeten ze hun schaalbaarheid verbeteren. 

Een ander voordeel van de nieuwe additieve productietechnologieën is hun hoge specificiteit en het vermogen om de meest complexe vormen te printen. 

Nieuwe additieve productietechnieken zijn ook nuttig bij het plaatsen van de energiebronnen, die een integraal onderdeel vormen van de meeste nieuw ontwikkelde zachte robots. Bovendien helpen nieuwe 3D-printtechnieken om ze intelligent binnen de zachte robotstructuren te plaatsen.

Aan de andere kant hebben de momenteel beschikbare 3D-printbare zachte materialen een aanzienlijke neiging om te vervormen onder de normaal gebruikte krachten tijdens het bouwproces vanwege hun eigen gewicht, waardoor het opnemen van ondersteunend materiaal noodzakelijk is. Deze uitdaging wijst op een gebied dat rijp is voor verdere ontwikkeling. Een van de oplossingen is ontstaan in de vorm van visco-elastische hydrogels, die druk kunnen weerstaan variërend van kilopascal tot megapascal. 

Recentelijk heeft een onderzoeksgroep ook met succes een omnidirectionele techniek ontwikkeld die extreem zachte materialen zoals vloeistoffen kan printen, die later door polymerisatie op hun plaats kunnen worden gehouden. 

Een ander onderzoeksteam, bestaande uit studenten van de Technische Universiteit Delft, heeft een andere spannende functie geïntroduceerd. Het heeft geholpen bij de ontwikkeling van 3D-printtechnologieën die siliconen kunnen gieten in 3D-geprinte omhulsels. De techniek is kosteneffectief en kan soft robotics in de toekomst naar nieuwe hoogten brengen. 

Met meer onderzoek en wetenschappelijke studies over het onderwerp zal additieve productie soft robotics enorm relevant maken in de medische en gezondheidswetenschappen. Het heeft al bijgedragen aan de ontwikkeling van zachte robotische 3D-geprinte handschoenen die nuttig zijn voor mensen met beperkte handfunctie, lokale verlamming en artritis. 

Wetenschappers hebben ook prothetische handen en 3D-geprinte zachte robots met vier poten gebouwd die kunnen lopen op ongelijke en ruwe oppervlakken zoals kiezelstenen en zand. 

Naast hun medische en revalidatietoepassingen kunnen dergelijke zachte robots helpen bij reddingsoperaties of worden gebruikt om sensorgegevens te verzamelen uit gevaarlijke omgevingen.

Samengevat zijn de kansen die nieuwe additieve productietechnieken bieden voor de vooruitgang van soft robotics enorm. Het enige wat nog nodig is, is dat ze uit het laboratorium komen voor grootschalig gebruik ten behoeve van het publiek. 

Klik hier voor de top tien additieve productietechnologie- en 3D-printaandelen.