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

Myk robotikk er en interessant forskningsretning innen robotikk. Nye additive produksjonsteknikker gjør det mulig å fremstille mer komplekse og deformerbare robotdeler.

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. 

Den opprinnelige artikkelen fra 2023 viste til en kommersiell prognose for markedet for myk robotikk: fra over 770 millioner amerikanske dollar i 2022 til nær 22 milliarder i 2030. Disse endepunktene tilsvarer omtrent 52 prosent sammensatt årlig vekst over åtte år. Det var en markedsprognose fra den gang.

Ifølge Harvard Biodesign Lab kan myke fluidiske aktuatorer bestå av elastomermatriser med innvevde materialer som tekstil, papir, fibre eller partikler. De kan være lette, rimelige og enkle å tilpasse. Dette er et eksempel innen myk robotikk, ikke en definisjon som begrenser alle myke roboter til slike aktuatorer.

Noen anvendelser av myk robotikk

Harvards forskningsside viser til et daværende anslag på fire millioner slagoverlevende med kronisk hemiparese i USA og ytterligere seks millioner i andre utviklede land. Det er ikke en oppdatert opptelling. Redusert håndmotorikk kan gjøre daglige gjøremål vanskelige. Laboratoriet utvikler et modulært, trygt og bærbart system for håndrehabilitering og hjelp hjemme, med rimeligere behandling og mer selvstendighet som mål.

Eldre litteratur som ble sitert, anslo livstidsrisikoen for hjertesvikt i USA til rundt 20 prosent. Harvard undersøker en hjertesimulator for laboratoriebruk og direkte hjertekompresjon, DCC, med myke aktuatorer. Sistnevnte støtter hjertet mekanisk uten direkte blodkontakt. Forskningsutvikling er ikke det samme som dokumentert og godkjent behandling for alle pasienter.

Myk robotikk kan bidra til rehabilitering og livskvalitet. Verdien av hver anvendelse avhenger av ytelse og sikkerhet. Her ser vi på produksjonsteknikker som støtter denne forskningen.

3D‑utskrift eller additiv produksjonsteknologi i myk robotikk

3D-utskrift, også kalt additiv produksjon, bygger tredimensjonale gjenstander fra en digital modell, vanligvis ved å legge til materiale lag for lag.

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 lag tilsvarer et tynt tverrsnitt av gjenstanden. Dette skiller seg fra subtraktiv produksjon, der materiale fjernes fra et større emne for å oppnå ønsket form.

3D-utskrift bruker vanligvis en digital modell, programvare for klargjøring og en skriver. Anvendelser omfatter forbruker- og industriprodukter, tannmedisinske deler, proteser, arkitekturmodeller, rekonstruerte fossiler, kopier av gamle gjenstander, rekonstruksjoner i kriminalteknisk arbeid og filmrekvisitter.

Den 15. november 2023 beskrev ETH Zürich forskning sammen med Inkbit om utskrift av komplekse robotstrukturer fra ulike polymerer i én prosess. Dette bygget videre på tidligere bruk av 3D-utskrift i myk robotikk, fremfor å gjøre hele fagfeltet mulig for første gang.

Inkbit er en utskilt bedrift fra MIT-miljøet. ETH Zürich er Sveits’ føderale tekniske høyskole, grunnlagt i 1855, ikke et eget vitenskaps- og teknologiuniversitet inne i en institusjon med dette navnet.

Klikk her for informasjon om investering i 3D-utskrift og additiv produksjon.

Teknologien i detalj

Gjennombruddet

Gjennombruddet gjelder materialstråling med tilbakemelding fra laserskanning. Tidligere varianter brukte hurtigherdende polyakrylater fordi en skrape jevnet overflaten mellom lagene. Sakteherdende polymerer kunne tette til skrapen. Den nye metoden gjør også disse materialene anvendelige; det betyr ikke at all tidligere 3D-utskrift var begrenset til hurtigherdende plast.

Fordelene

• De sakteherdende polymerene i studien har gode elastiske egenskaper.
• De kan gi mer robuste og holdbare deler enn materialene som ble brukt tidligere.
• 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

Materialvalget utvider mulighetene for å kombinere myk robotikk og additiv produksjon. Fordelene avhenger av materialet, utformingen og bruksområdet.

Forskerne skrev ut en robothånd med polymerstrukturer som etterligner bein, leddbånd og sener, i én prosess. Hånden har ikke dermed alle fysiologiske egenskaper ved en menneskehånd. De stive og elastiske delene består av ulike polymerer.

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.”

Tiolenpolymerenes stivhet kan justeres, og rask tilbakefjæring passer for elastiske leddbånd. Ifølge forskerne kan myke roboter derfor være tryggere nær mennesker og bedre egnet for skjøre varer enn konvensjonelle metallroboter. Risikoen avhenger også av drivmekanisme og bruk.

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. 

Tilbakemeldingen beregner hvor mye materiale som må tilføres når neste lag skrives ut, for å kompensere for målte ujevnheter. Den tar hensyn til forrige lags overflate fremfor å skrape den jevn.

Inkbit utviklet utskriftsteknologien. ETH Zürichs forskere utviklet robotanvendelser og bidro til å optimalisere prosessen for sakteherdende polymerer. Den felles studien ble publisert i Nature.

Inkbit: Utskriftsteknologi‑oppstartsbedriften

Inkbit ble grunnlagt i 2017 av Davide Marini, Javier Ramos og Wojciech Matusik og holder til i Medford, Massachusetts. Artikkelen fra 2023 beskrev selskapet som en bedrift etter en serie B-finansiering. Plattformen kombinerer 3D-utskrift med maskinsyn. I november 2023 ble det vist multifunksjonelle systemer og roboter fremstilt i én utskriftsprosess.

Den 7. november 2023 introduserte Inkbit TEPU 50A, en elastomer med Shore-hardhet på rundt 50A. Materialet er blant annet beregnet på deler som krever fleksibilitet, tetning og målnøyaktighet.

Også andre selskaper utvikler utstyr, materialer og tjenester for additiv produksjon som kan fremme myk robotikk.

Selskaper med additive produksjonsteknikker som kan fremme myk robotikk

#1. Flashforge

En studie publisert 7. januar 2022 beskrev en modulær myk griper med fingre som former seg etter gjenstander. Fingrene kombinerer pneumatiske aktuatorer med overtrykk og et mekanisk metamateriale av en auxetisk struktur og ettergivende ribber. Forskerne brukte FDM med en FlashForge Inventor-skriver og NinjaFlex-TPU fra NinjaTek. Ifølge studien ble fingrene skrevet ut i ett trinn uten støttemateriale.

Flashforge ble grunnlagt i 2011 som kinesisk produsent av 3D-skrivere og materialer. Bedriftsbeskrivelsen som artikkelen viste til, oppga at Flashforge-produkter nådde nær 100 land og regioner. Dette er en historisk selskapsopplysning.

Den samme beskrivelsen nevnte over 600 forhandlere i mer enn 50 land og regioner. Det er ikke en uavhengig kontrollert, oppdatert opptelling.

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

Artikkelen viste til estimater fra bedriftsdatabasen ZoomInfo: over 15 millioner amerikanske dollar i omsetning for Flashforge og over 7 millioner for Flashforge USA. Dette er ikke reviderte regnskapstall, og beløpene kan ikke uten videre summeres som inntekter fra klart atskilte enheter.

#2. NinjaTek

NinjaTeks kasusstudie beskriver hvordan et team ved University of Illinois Urbana-Champaign brukte halvfleksibelt Cheetah®-TPU-filament til en beinlignende struktur i en protesehånd. Den utskrevne delen ble bygget inn i silikon for en hudlignende overflate og bedre støtmotstand. Teamet verdsatte filamentets fleksibilitet, utskriftskvalitet og strekkfasthet. Det var en syntetisk protesestruktur, ikke utskrift av biologisk bein.

NinjaTek inngår i Fenner Precision Polymers og lager spesialfilament for 3D-utskrift. Michelin fullførte kjøpet av Fenner i mai 2018; konsernforholdet eksisterte dermed allerede da artikkelen ble publisert i 2023.

Michelin Group rapporterte 28,590 milliarder euro i omsetning i 2022, mot 23,795 milliarder i 2021. Segmentenes driftsresultat var 3,396 milliarder euro, eller 11,9 prosent av omsetningen. Segmentmarginen er ikke identisk med marginen for det samlede rapporterte driftsresultatet.

#3. Fictiv

Fictiv tilbyr blant annet 3D-utskriftstjenester og omtaler mulighetene innen myk robotikk. Medtronic er blant selskapets medisintekniske kunder. Bruk av produksjonstjenestene viser ikke i seg selv at hver kunde anvender myke roboter.

Fictiv bruker et hypotetisk eksempel med en myk robot som lærer å håndtere ulike dørhåndtak ved hjelp av sensorer, maskinsyn og forsterkningslæring. Det myke materialet forstår altså ikke håndtaket av seg selv. Pneumatiske gripere kan også kombineres med sugefunksjoner.

Den 5. mai 2022 kunngjorde Fictiv at selskapet hadde avsluttet en serie E-runde på 100 millioner amerikanske dollar, ledet av Activate Capital. Nye investorer var Angeleno Group, Cross Creek og The Westly Group. Tidligere investorer omfattet Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners og Standard Investments; Bill Gates er en privatperson, ikke en institusjon. Totalt hentet kapital siden etableringen i 2013 nådde da 192 millioner dollar.

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

3D-utskrift var en viktig forskningsteknikk i myk robotikk allerede før 2023, blant annet fordi den muliggjør komplekse former og materialkombinasjoner.

Myke roboter kan inneholde væsker, geler, funksjonelle polymerer og andre deformerbare materialer. Om de fungerer under strekk og trykk, avhenger av utforming og belastning. Det finnes egnede utskriftsprosesser for ulike materialer, men ikke alle materialer passer til enhver skriver. Hastighet, pålitelighet og oppskalering er fortsatt anvendelsesspesifikke utfordringer.

En annen fordel ved nye additive produksjonsteknikker er høy presisjon og muligheten til å fremstille komplekse former.

Additiv produksjon kan også lage rom og strukturer for integrerte energikilder. Selve energiforsyningen må utformes passende og kombineres trygt med det myke systemet.

Noen myke utskriftsmaterialer deformeres av egenvekten under produksjonen og trenger støtte. Oversiktsstudien fra 2018 omtaler blant annet viskoelastiske hydrogeler og støttestrukturer. Den nevner belastninger i størrelsesorden kilopascal til megapascal, men faktisk bæreevne avhenger av sammensetning og geometri.

Oversiktsstudien fra 2018 beskriver tidligere forskning i Jennifer Lewis’ gruppe på flerveis utskrift av svært myke materialer som senere fikseres gjennom polymerisering. Det var ikke et nytt resultat fra 2023.

Den samme studien omtaler UltiCast fra et team ved Delft University of Technology. Silikon støpes i en 3D-utskrevet form. Metoden kombinerer utskrift og støping, fremfor å skrive ut silikonet direkte. Den kan redusere kostnader for visse komplekse, myke deler.

Studien omtaler også forskningsprototyper av myke robothansker som kan støtte begrenset håndfunksjon, lokal lammelse og leddgikt. Mulig rehabiliteringsbruk garanterer ikke klinisk effekt av ethvert produkt ved alle tilstander.

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. 

Nye additive produksjonsteknikker gir mange muligheter innen myk robotikk. Noen industrielle anvendelser finnes allerede. Større utbredelse krever anvendelsesspesifikk dokumentasjon av ytelse, sikkerhet, rimelig produksjon og eventuelt klinisk nytte.

Klikk her for listen over ti aksjer innen additiv produksjon og 3D-utskrift.