Hender som et menneske: Ny additiv produksjon hjelper myk robotikk å bli virkelig

I det raskt utviklende landskapet innen robotikk, dukker en ny grense av seg som lover å omforme vår forståelse av feltet: myk robotikk. Denne innovative tilnærmingen gjør fremskritt takket være banebrytende additive produksjonsteknikker. 

I denne artikkelen utforsker vi domenet myk robotikk og undersøker hvordan nylige fremskritt innen additiv produksjon driver denne teknologien fremover.

Hva er myk robotikk?

Myk robotikk forsøker å introdusere teknologier som ligner de fysiske egenskapene til levende organismer, og erstatter de stive bevegelsene vi forbinder med roboter. Den betraktes som en form for biomimetikk hvor de konvensjonelle lineære og stive egenskapene ved robotikk gir plass til sofistikerte modeller, og myk robotikk etterligner menneskelig, dyre- og planteliv. 

Forskere anslår at markedet for myk robotikk vil bli en betydelig stor mulighet i fremtiden, med en markedsstørrelse som vokser fra over 770 millioner USD i 2022 til nesten 22 milliarder USD innen 2030. Det vil bety en fenomenal vekst på nesten 75 % CAGR. 

Ifølge Harvard Biodesign Lab, som bidrar til å forstå teknologien bak myk robotikk som fluidiske aktuatorer med elastomeriske matriser og innebygde fleksible materialer som stoff, papir, fiber og partikler, vil myk robotikk bli populært på grunn av sin lettvekt, rimelighet og enkle tilpasning til en gitt anvendelse. 

Noen anvendelser av myk robotikk

Harvard Biodesign Lab anslår at det i dag finnes fire millioner kroniske slagoverlevende med hemiparese i USA og ytterligere seks millioner i andre utviklede land globalt. Disse overlevende mister ofte håndens motoriske evner. Myk robotikk kan hjelpe dem med å takle denne utfordringen ved å utvikle en modulær, sikker, bærbar, forbrukbar, hjemmebasert håndrehabiliterings- og assistanseenhet. 

I USA er livstidsrisikoen for å utvikle hjertesvikt nær 20%. Ved å utnytte teknologien bak myk robotikk, utvikler laboratoriet en benkeplate‑kardialsimulator og en Direct Cardiac Compression (DCC)‑enhet som vil bidra til å behandle hjertesvikt. 

Med alle disse gunstige anvendelsene og flere, kan myk robotikk spille en betydelig rolle i pasientrehabilitering og forbedring av livskvalitet globalt. Enhver teknologi som bidrar til å fremme myk robotikk er – derfor – positiv. Vi vil i dag diskutere noen av disse produksjonsteknikkene. 

3D‑utskrift eller additiv produksjonsteknologi i myk robotikk

3D printing, også kjent som additiv produksjon, handler om å lage tredimensjonale objekter fra en digital fil. Det kalles additiv produksjon på grunn av den iboende fremstillingsprosessen. 

I den additive produksjonsprosessen utvikles et objekt ved å legge ned påfølgende lag av materiale til den endelige formen og strukturen av det ønskede objektet er oppnådd. 

Hvert av disse lagene er kun en tynt skåret tverrsnitt av det ønskede objektet. Additiv produksjon skiller seg fra den tradisjonelle subtraktive produksjonen, hvor deler av ønsket form og størrelse kuttes ut fra en stor blokk av råmaterialet. 

3D‑utskrift eller additiv produksjon involverer vanligvis en 3D‑modell, en 3D‑programvare og en 3D‑printer. Prosessen har allerede funnet anvendelser i produksjon av forbrukerprodukter, industrielle produkter, tannprodukter, proteser, arkitektoniske skala‑modeller og maketter, rekonstruerte fossiler, kopier av gamle gjenstander, rekonstruert bevismateriale i rettspsykologi, filmrekvisitter og mer. 

Nå har den funnet anvendelse i det mer sofistikerte feltet myk robotikk. ETH Zürich og en amerikansk oppstartsbedrift, Inkbit, har sammen gjort det mulig. 

Mens Inkbit er en spin‑off fra MIT, går ETH Zürichs Universitet for vitenskap og teknologi tilbake til 1855, “da grunnleggerne av det moderne Sveits opprettet det som et senter for innovasjon og kunnskap.”

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

Teknologien i detalj

Gjennombruddet

Gjennombruddet som forskningen ved ETH Zürich og Inkbit har oppnådd, er at den har utvidet omfanget av materialer som kan brukes i additiv produksjon eller 3D‑utskrift. Mens teknologien tidligere kun var begrenset til hurtigherdende plast, er den nå også egnet for sakteherdende plast. Det er mange fordeler med denne utvidelsen av omfanget. 

Fordelene

• Sakteherdende plast har forbedrede elastiske egenskaper.
• De er mer holdbare og robuste.
• Sakteherdende plast gjør det mulig å 3D‑printe komplekse og mer holdbare robotkomponenter.
• Teknologien er kompatibel med en rekke høykvalitetsmaterialer
• Utvidelsen gjør det lettere å kombinere myke, elastiske og stive materialer.

Og til slutt,

• De oppfyller kravet om å lage delikate strukturer og deler med hulrom etter behov. 

Anvendelsen

Med sakteherdende plast har det blitt mulig å kombinere fordelene ved myk robotikk og additiv produksjon og skape en synergi som vil gagne menneskeheten i svært lang tid. 

Forskerne ved ETH Zürich har med suksess utviklet en robotisk hånd som har alle egenskapene til menneskelig fysiologi, som bein, leddbånd og sener. Selv om den er laget av ulike polymerer, kunne sluttproduktet produseres i ett enkelt steg. 

Ifølge forskerne ville dette ikke vært mulig uten muligheten til å inkludere sakteherdende polymerer. Ifølge Thomas Buchner, doktorgradsstudent i gruppen til ETH Zürichs robotikkprofessor Robert Katzschmann og første forfatter av studien:

“Vi bruker nå sakteherdende tiolenpolymerer. Disse har svært gode elastiske egenskaper og vender tilbake til sin opprinnelige tilstand mye raskere etter bøying enn polyakrylatene.”

Inkluderingen av tiolenpolymerer har vært banebrytende for produksjonen av hånden etter prinsippene for myk robotikk. Fordi den robotiske hånden er like myk som en ekte menneskehånd, har den mindre skadefare og kan håndtere skjøre gjenstander bedre. 

For å integrere myk robotikk og additiv produksjon i samme prosess, måtte forskerne innføre noen endringer i 3D‑utskrifts‑teknologien. De la til en 3D‑laserskanner i utskriften, som umiddelbart kan sjekke hvert lag for potensielle overflateuregelmessigheter. 

Forskerne introduserte også en tilbakemeldingsmekanisme for å kompensere for disse uregelmessighetene. Denne mekanismen hjalp med å gjøre nødvendige justeringer på ett lag, med hensyn til eventuelle ujevnheter i forrige lag. 

ETH Zürich fikk hjelp fra Inkbit, den amerikanske oppstartsbedriften, til å utvikle denne utskriftsteknologien. 

Inkbit: Utskriftsteknologi‑oppstartsbedriften

Grunnlagt i 2017 av Davide M. Marini, Javier Ramos og Wojciech Matusik, er Inkbit en Series B‑oppstartsbedrift basert i Medford, Massachusetts, USA. Formålet med selskapet er å skape en neste‑generasjons additiv produksjonsplattform som kombinerer 3D‑utskrift med maskinsyn. Selskapet fortsetter å innovere og utvikle nye løsninger innen 3D‑utskrift. For eksempel demonstrerte de i midten av november i år enkelt‑utskrift av komplekse multifunksjonelle systemer og roboter. 

En uke tidligere introduserte selskapet TEPU 50A, en ny myk‑medium durometer‑elastomer. 

Det finnes flere andre aktører i dette området som Inkbit betjener. Sammen prøver de alle å drive fremgang innen myk robotikk gjennom nye additiv produksjonsteknikker.

Selskaper med transformerende additiv produksjonsteknikker for å fremme myk robotikk

#1. Flashforge

Nylig ble en 3D‑printet modulær myk gripeklør med svært konforme myke gripeklør utviklet. Fingrene besto av myke pneumatisk aktuatorer med positivt trykk sammen med et mekanisk metamateriale. Metamaterialet integrerte en myk auxetisk struktur og fleksible ribber. 3D‑printeren som ble brukt i prosessen var en rimelig, åpen kildekode fused deposition modeling‑3D‑printer fra FlashForge Corporation. 

Etablert i 2011, Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD er en av de første profesjonelle 3D‑utskriftsutstyr- og materialforskning‑og‑utviklings‑ og produksjonsbedriftene i Kina. Flashforge produkter reiser til nesten 100 land og regioner globalt. 

Den har utviklet mer enn 600 merkevareforhandlere i over 50 land og regioner både hjemme og i utlandet. 

FlashForge USA fokuserer på å gjøre 3D‑utskrift bredt tilgjengelig for institusjoner, arkitekter, ingeniører, designere, industrielle brukere samt det brede forbruker‑ og prosumer‑markedet. 

Anslått har Flashforge en omsetning på mer enn US$15 million, mens FlashforgeUSA har mer enn US$7 million. 

#2. NinjaTek

Blant sine mange løsninger ble NinjaTek sin Cheetah® 3D‑printerfilament brukt til å lage fleksible, livaktige ben for protesehender. Fingerdesignen krevde innbygging av et fleksibelt 3D‑printet ben i en silikonform for å skape en realistisk hudlignende tekstur og øke fingerens robusthet og styrke. Forskerteamet som var ansvarlig for å designe og utvikle hånden fant NinjaTek sin semi‑fleksible Cheetah TPU‑filament svært nyttig i designet av den protesiske delen.

NinjaTek er en del av Fenner Precision Polymers. De produserer spesialfilament for sluttbrukere i den industrielle 3D‑printerbransjen. Selskapet er nå en Michelin Group‑bedrift. 

Michelin Group registrerte mer enn 28,5 milliarder euro i omsetning i 2022, sammenlignet med en omsetning på nesten 24 milliarder euro i 2021. Selskapets driftsinntekt som prosentandel av omsetningen var nær 12 % i 2022. 

#3. Fictiv

En annen viktig aktør i dette feltet er Fictiv, et selskap som tilbyr et omfattende spekter av 3D printing services og viser en sterk forpliktelse til å fremme soft robotics. Deres ekspertise er svært etterspurt, med store med‑tech‑selskaper som Medtronic som benytter Fictivs innovative tjenester.

Fictiv mener at myke roboter er mer tilpasningsdyktige og fleksible. De kan «bedre forstå ulike håndtakdesign og tilpasse bevegelsene deretter». De ser også myke roboter som mer «pneumatisk aktiverte for å gripe objekter, noe som gjør det enkelt å legge til sugefunksjoner». 

I mai 2022 kunngjorde Fictiv avslutningen av en finansieringsrunde på $100 million i Series E. Runden ble ledet av Activate Capital, med nye investorer som Angeleno Group, Cross Creek og The Westly Group. Fictivs andre institusjonelle investorer inkluderer Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners og Standard Investments. Series E‑finansieringen førte til at den totale investeringen i Fictiv nådde $192 million siden selskapet startet sin virksomhet i 2013.

3D‑utskrift eller additiv produksjonsteknologi i myk robotikk: Hva fremtiden bringer

3D‑utskrift eller additiv produksjon vil bli en nøkkelteknologi i myk robotikk på grunn av sin høye kvalitet og evnen til å skrive ut flere materialer samtidig. 

Myke roboter er laget av væsker, geler, funksjonelle polymerer og andre lett deformerbare materialer, som hjelper robotløsningen å forbli operativ selv når den strekkes og klemmes. Viktig er at disse materialene er kompatible med nåværende 3D‑utskrifts‑ eller additiv produksjonsteknologier, som ikke bare er raskere, men også mer pålitelige. For å bli universelt tilpasningsdyktige, må de imidlertid forbedre sin skalerbarhet. 

En annen fordel de nye additiv produksjonsteknologiene har, er deres høye spesifisitet og evne til å skrive ut de mest komplekse former. 

Nye additiv produksjonsteknikker er også nyttige når det gjelder plassering av strømkilder, som er en integrert del av de fleste av de nyutviklede myke robotene. Videre hjelper nye 3D‑utskriftsteknikker med å plassere dem intelligent inne i de myke robotstrukturene. 

På den andre siden har de nå tilgjengelige 3D‑printbare myke materialene en betydelig tendens til å deformeres under de vanlige kreftene som brukes i byggeprosessen på grunn av sin egen vekt, noe som krever bruk av støttemateriale. Denne utfordringen fremhever et område som er modent for videre utvikling. En av løsningene som har dukket opp, er viskoelastiske hydrogeler, som kan tåle trykk fra kilopascal til megapascal. 

Nylig har en forskningsgruppe også med suksess utviklet en omnidireksjonell teknikk som kan skrive ut ekstremt myke materialer som væsker, som kan holdes på plass gjennom polymerisering på et senere stadium. 

Et annet forskningsteam, bestående av studenter ved Delft University of Technology, har introdusert en ny spennende funksjon. Det har bidratt til å utvikle 3D‑utskriftsteknologier som kan støpe silikoner i 3D‑printede skall. Teknikken er kostnadseffektiv og kan hjelpe myk robotikk med å nå nye høyder i fremtiden. 

Med mer forskning og vitenskapelige studier på temaet, vil additiv produksjon hjelpe myk robotikk med å bli svært relevant innen medisinsk og helsefag. Den har allerede bidratt til å utvikle myke robotiske 3D‑printede hansker som er nyttige for de som lider av begrenset håndfunksjon, lokal lammelse og leddgikt. 

Forskere har også bygget protesehender og 3D‑printede myke roboter med fire ben som kan gå på ujevne og ru overflater som småstein og sand. 

Bortsett fra deres medisinske og helserehabiliteringsbruk, kan slike myke roboter hjelpe i redningsoperasjoner eller brukes til å samle sensordata fra farlige miljøer. 

Oppsummert er mulighetene som nye additiv produksjonsteknikker gir for å fremme myk robotikk enorme. Det eneste som gjenstår er at de kommer ut av laboratoriet for storskala bruk til offentlig nytte. 

Click here for the top ten additive manufacturing and 3D printing stocks.