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

Een interessante onderzoeksrichting binnen de robotica is zachte robotica, ook soft robotics genoemd. Nieuwe technieken voor additieve productie maken het mogelijk complexere, vervormbare robotonderdelen te bouwen.

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. 

Het oorspronkelijke artikel uit 2023 verwees naar een commerciële prognose voor de markt voor zachte robotica: van ruim 770 miljoen Amerikaanse dollar in 2022 naar bijna 22 miljard dollar in 2030. De genoemde eindpunten komen over acht jaar overeen met ongeveer 52% samengestelde jaarlijkse groei. Het betreft een toenmalige marktprognose.

Het Harvard Biodesign Lab beschrijft onder meer zachte fluïdische actuatoren: elastomere matrices met ingebedde materialen zoals textiel, papier, vezels of deeltjes. Die kunnen licht, betaalbaar en aanpasbaar zijn. Dit is een voorbeeld binnen zachte robotica, geen definitie die alle zachte robots beperkt tot dit type actuator.

Enkele Toepassingen van Soft Robotics

De aangehaalde onderzoekspagina van Harvard noemt een toenmalige schatting van vier miljoen chronische beroertepatiënten met hemiparese in de VS en nog zes miljoen in andere ontwikkelde landen. Dat is geen actuele telling. Verminderde handmotoriek kan dagelijkse handelingen bemoeilijken. Het lab onderzoekt een modulair, veilig en draagbaar systeem voor handrevalidatie en ondersteuning thuis, met betaalbare therapie en meer zelfstandigheid als doel; het beschrijft geen gegarandeerd behandelresultaat.

De aangehaalde oudere literatuur schatte het levenslange risico op hartfalen in de Verenigde Staten op ongeveer 20%. Harvard onderzoekt een hartsimulator voor laboratoriumgebruik en directe hartcompressie met zachte actuatoren. De laatste techniek ondersteunt het hart mechanisch zonder direct bloedcontact. Onderzoeksontwikkeling is niet hetzelfde als een bewezen of goedgekeurde behandeling voor iedere patiënt.

Zachte robotica kan bijdragen aan revalidatie en kwaliteit van leven. De waarde van een toepassing hangt af van haar prestaties en veiligheid. Hieronder bespreken we productietechnieken die dit onderzoek ondersteunen.

3D-printen of Additieve Productietechnologie in Soft Robotics

3D-printen, ook additieve productie genoemd, bouwt driedimensionale objecten op vanuit een digitaal model, doorgaans door opeenvolgende lagen materiaal toe te voegen.

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 stelt een dunne doorsnede van het object voor. Dit verschilt van subtractieve productie, waarbij materiaal uit bijvoorbeeld een groter blok wordt verwijderd om de gewenste vorm te verkrijgen.

3D-printen gebruikt doorgaans een digitaal 3D-model, software voor de printvoorbereiding en een printer. Toepassingen zijn onder meer consumenten- en industrieproducten, tandheelkundige onderdelen, protheses, architectuurmodellen, gereconstrueerde fossielen, replica’s van oude voorwerpen, reconstructies voor forensisch onderzoek en filmrekwisieten.

Op 15 november 2023 beschreef ETH Zürich onderzoek met Inkbit naar het in één printproces maken van complexe robotstructuren uit verschillende polymeren. Dit bouwde voort op eerder gebruik van 3D-printen in zachte robotica, in plaats van dat vakgebied voor het eerst mogelijk te maken.

Inkbit is een spin-off van MIT. ETH Zürich is de Zwitserse federale technische hogeschool die in 1855 werd opgericht, geen afzonderlijke universiteit binnen een instelling met die naam.

Klik hier voor meer informatie over investeren in 3D-printen en additieve productie.

De Technologie in Detail

De Doorbraak

De doorbraak betreft materiaalstralen met terugkoppeling op basis van laserscans. Eerdere varianten gebruikten snel uithardende polyacrylaten, omdat een schraper het oppervlak na elke laag egaliseerde. Langzaam uithardende polymeren konden die schraper vervuilen. De nieuwe methode maakt ook die polymeren bruikbaar. Dit betekent niet dat alle eerdere vormen van 3D-printen tot snel uithardende kunststoffen beperkt waren.

De Voordelen

• De gebruikte langzaam uithardende polymeren hebben gunstige elastische eigenschappen.
• Ze kunnen robuustere en duurzamere onderdelen opleveren dan de eerder gebruikte materialen.
• Ze maken complexe, veerkrachtige robotonderdelen mogelijk.
• 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

Deze materiaalkeuze vergroot de mogelijkheden om zachte robotica en additieve productie te combineren. De voordelen hangen af van het materiaal, het ontwerp en de toepassing.

De onderzoekers printten in één proces een robothand met polymeerstructuren die botten, banden en pezen nabootsen. Dat betekent niet dat de hand alle fysiologische eigenschappen van een menselijke hand bezit. De stijve en elastische onderdelen bestaan uit verschillende polymeren.

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.”

Thioleenpolymeren zijn geschikt voor elastische banden doordat hun stijfheid kan worden afgestemd en zij snel terugveren. Volgens de onderzoekers kunnen zachte robots daardoor veiliger met mensen samenwerken en kwetsbare goederen beter hanteren dan conventionele metalen robots; het risico hangt mede af van de aandrijving en het gebruik.

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. 

Een terugkoppelingsmechanisme berekent tijdens het printen van de volgende laag hoeveel materiaal moet worden toegevoegd om gemeten oneffenheden te compenseren. Het houdt rekening met de voorgaande laag in plaats van die glad te schrapen.

Inkbit ontwikkelde de printtechnologie. De onderzoekers van ETH Zürich ontwikkelden robottoepassingen en hielpen het proces voor langzaam uithardende polymeren te optimaliseren. Het gezamenlijke onderzoek verscheen in Nature.

Inkbit: De Printtechnologie Startup

Inkbit werd in 2017 opgericht door Davide Marini, Javier Ramos en Wojciech Matusik en is gevestigd in Medford, Massachusetts. De onderneming was in het artikel van 2023 als een bedrijf na een Series B-financiering omschreven. Haar platform combineert 3D-printen met computervisie. In november 2023 toonden de onderzoekers multifunctionele systemen en robots die in één proces werden geprint.

Op 7 november 2023 introduceerde Inkbit TEPU 50A, een elastomeer met een Shore-hardheid van ongeveer 50A. Het materiaal is bedoeld voor toepassingen die onder meer flexibiliteit, afdichting en nauwkeurigheid vereisen.

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

Een onderzoek dat op 7 januari 2022 verscheen, beschreef een modulaire zachte grijper met zich goed naar objecten vormende vingers. Die combineren pneumatische actuatoren op overdruk met een mechanisch metamateriaal van een auxetische structuur en buigzame ribben. De onderzoekers gebruikten een FlashForge Inventor-printer voor FDM en NinjaFlex-TPU van NinjaTek. Volgens de studie konden de vingers zonder ondersteuningsmateriaal in één stap worden geprint.

Flashforge werd in 2011 opgericht als Chinese producent van 3D-printers en materialen. De in het artikel aangehaalde bedrijfsbeschrijving stelde dat Flashforge-producten bijna 100 landen en regio’s bereikten. Dat is een historische bedrijfsopgave.

Die beschrijving noemde ook meer dan 600 dealers in ruim 50 landen en regio’s; dit is geen onafhankelijk gecontroleerde actuele telling.

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. 

Het artikel verwees naar schattingen van bedrijfsdatabank ZoomInfo: meer dan 15 miljoen Amerikaanse dollar omzet voor Flashforge en meer dan 7 miljoen Amerikaanse dollar voor Flashforge USA. Dit zijn geen gecontroleerde financiële jaarcijfers en ze mogen niet zonder meer als afzonderlijke bedragen worden opgeteld.

#2. NinjaTek

Volgens de casestudy van NinjaTek gebruikte een team van de University of Illinois Urbana-Champaign half-flexibel Cheetah®-TPU-filament voor de botachtige structuur in een prothesehand. Het geprinte onderdeel werd in siliconen ingebed voor een huidachtige buitenkant en betere schokbestendigheid. Het team waardeerde de flexibiliteit, printkwaliteit en treksterkte van het filament. Het gaat om een synthetische prothesestructuur, niet om geprint biologisch bot.

NinjaTek behoort tot Fenner Precision Polymers en maakt speciale filamenten voor 3D-printen. Michelin voltooide de overname van Fenner in mei 2018; deze concernrelatie bestond dus al toen het artikel in 2023 verscheen.

Michelin Group rapporteerde voor 2022 een omzet van 28,590 miljard euro, tegenover 23,795 miljard euro in 2021. Het operationele resultaat van de segmenten bedroeg 3,396 miljard euro, of 11,9% van de omzet. Deze segmentmarge is niet identiek aan de marge van het gerapporteerde totale operationele resultaat.

#3. Fictiv

Fictiv biedt onder meer 3D-printdiensten en bespreekt de mogelijkheden van zachte robotica. Het bedrijf noemt medische-technologiebedrijven zoals Medtronic onder zijn klanten. Dat toont gebruik van zijn productiediensten, niet dat iedere klant een zachte robot toepast.

Fictiv gebruikt een hypothetisch voorbeeld van een zachte robot die verschillende deurklinken kan bedienen met behulp van sensoren, computervisie en leren door bekrachtiging. Het zachte materiaal begrijpt de klink dus niet zelf. Pneumatische grijpers kunnen bovendien met zuigfuncties worden gecombineerd.

Op 5 mei 2022 kondigde Fictiv de afronding aan van een Series E-ronde van 100 miljoen Amerikaanse dollar, geleid door Activate Capital. Nieuwe investeerders waren Angeleno Group, Cross Creek en The Westly Group. Bestaande investeerders waren onder meer Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners en Standard Investments; Bill Gates is hier een individuele investeerder, geen instelling. Het totaal opgehaalde kapitaal sinds de oprichting in 2013 kwam toen uit op 192 miljoen dollar.

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

3D-printen was al vóór 2023 een belangrijke onderzoekstechniek voor zachte robotica, onder meer door complexe vormen en combinaties van materialen mogelijk te maken.

Zachte robots kunnen vloeistoffen, gels, functionele polymeren en andere vervormbare materialen bevatten. Of zij onder rek of druk blijven werken, hangt af van ontwerp en belasting. Voor verschillende materialen bestaan geschikte printprocessen, maar niet elk materiaal is met elke printer compatibel. Snelheid, betrouwbaarheid en opschaling blijven toepassingsafhankelijke uitdagingen.

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

Additieve productie kan ook helpen ruimtes en structuren voor geïntegreerde energiebronnen te maken. De energievoorziening zelf moet passend worden ontworpen en veilig met het zachte systeem worden gecombineerd.

Sommige zachte printmaterialen vervormen tijdens de fabricage door hun eigen gewicht en vereisen daarom ondersteuning. De aangehaalde overzichtsstudie uit 2018 bespreekt onder meer visco-elastische hydrogels en draagstructuren. Zij noemt belastingen in de orde van kilopascal tot megapascal, maar de werkelijke draagkracht hangt af van de samenstelling en de geometrie.

Die overzichtsstudie uit 2018 beschrijft eerder onderzoek van de groep van Jennifer Lewis naar omnidirectioneel printen van zeer zachte materialen, die later door polymerisatie worden vastgezet. Dit was geen nieuw resultaat van 2023.

Dezelfde studie noemt UltiCast, ontwikkeld door een team van de TU Delft. Daarbij wordt silicone gegoten in een 3D-geprinte vorm. Dat combineert printen met gieten; het is niet hetzelfde als de silicone rechtstreeks te printen. De methode kan bepaalde complexe zachte onderdelen betaalbaarder produceren.

De studie beschrijft ook onderzoeksprototypes van zachte robothandschoenen voor ondersteuning van beperkte handfunctie, plaatselijke verlamming en artritis. Dit zijn mogelijke revalidatietoepassingen; de beschrijving is geen garantie dat iedere handschoen bij elke aandoening klinisch doeltreffend is.

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.

Nieuwe additieve technieken bieden veel mogelijkheden voor zachte robotica. Sommige industriële toepassingen bestaan al; verdere inzet op grote schaal vraagt per toepassing om betrouwbare prestaties, veiligheid, betaalbare productie en waar nodig klinische toetsing.

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