Mãos Como as Humanas: Nova Fabricação Aditiva Ajuda a Robótica Flexível a Tornar-se Real

No cenário de robótica em rápida evolução, uma nova fronteira está surgindo que promete remodelar nossa compreensão do campo: robótica flexível. Essa abordagem inovadora está avançando graças a técnicas de fabricação aditiva de ponta. 

Neste artigo, exploramos o domínio da robótica flexível e examinamos como os avanços recentes na fabricação aditiva estão impulsionando essa tecnologia. 

O que é Robótica Flexível?

A robótica flexível tenta introduzir tecnologias que se assemelham mais às características físicas dos organismos vivos, substituindo os movimentos rígidos que associamos aos robôs. Considerada uma forma de biomimética, onde as características convencionais lineares e rígidas da robótica dão lugar a modelos sofisticados, a robótica flexível imita a vida humana, animal e vegetal. 

Pesquisadores estimam que o mercado de robótica flexível se tornará uma oportunidade significativamente grande no futuro, com seu tamanho de mercado crescendo de mais de US$770 milhões em 2022 para quase US$22 bilhões em 2030. Isso representaria um crescimento fenomenal de cerca de 75% ao ano (CAGR). 

De acordo com o Harvard Biodesign Lab, que ajuda a entender a tecnologia da robótica flexível como atuadores fluidos com matrizes elastoméricas contendo materiais flexíveis incorporados como tecido, papel, fibra e partículas, a robótica flexível tende a se tornar popular por sua leveza, acessibilidade e fácil personalização para uma aplicação específica. 

Algumas Aplicações da Robótica Flexível

O Harvard Biodesign Lab estima que existam quatro milhões de sobreviventes de AVC crônico com hemiparesia nos EUA hoje e mais seis milhões em outros países desenvolvidos globalmente. Esses sobreviventes frequentemente perdem as habilidades motoras de suas mãos. A robótica flexível pode ajudá-los a enfrentar esse desafio desenvolvendo um dispositivo modular, seguro, portátil, consumível e de reabilitação e assistência manual para uso doméstico. 

Nos Estados Unidos, o risco ao longo da vida de desenvolver insuficiência cardíaca é próximo de 20%. Aproveitando a tecnologia por trás da robótica flexível, o laboratório está desenvolvendo um simulador cardíaco de bancada e um dispositivo de Compressão Cardíaca Direta (DCC) que ajudará a tratar a insuficiência cardíaca. 

Com todas essas aplicações benéficas e mais, a robótica flexível pode desempenhar um papel significativo nos esforços de reabilitação de pacientes e melhoria da qualidade de vida em todo o mundo. Qualquer tecnologia que ajude a avançar a causa da robótica flexível é – portanto – positiva. Discutiremos algumas dessas técnicas de fabricação hoje. 

Tecnologia de Impressão 3D ou Fabricação Aditiva na Robótica Flexível

Impressão 3D, também conhecida como fabricação aditiva, consiste em desenvolver objetos tridimensionais a partir de um arquivo digital. É chamada de fabricação aditiva devido ao seu processo de desenvolvimento inerente. 

No processo aditivo de fabricação, um objeto é desenvolvido depositando camadas sucessivas de material até que a forma final do objeto desejado seja alcançada. 

Cada uma dessas camadas não passa de uma seção transversal finamente fatiada do objeto desejado. A fabricação aditiva difere do estilo tradicional de fabricação subtrativa, onde partes da forma e tamanho desejados são cortadas de um grande bloco do material de origem. 

A impressão 3D ou fabricação aditiva geralmente envolve um modelo 3D, um software 3D e uma impressora 3D. O processo já encontrou aplicações na fabricação de produtos de consumo, produtos industriais, produtos dentários, próteses, maquetes arquitetônicas em escala, fósseis reconstruídos, réplicas de artefatos antigos, evidências reconstruídas em psicologia forense, adereços de filmes e muito mais. 

Agora, encontrou utilidade no campo mais sofisticado da robótica flexível. ETH Zurich e uma startup dos EUA, Inkbit, tornaram isso possível em conjunto. 

Embora a Inkbit seja um spin-off do MIT, a Universidade de Ciência e Tecnologia da ETH Zurich remonta a 1855, “quando os fundadores da Suíça moderna a criaram como um centro de inovação e conhecimento”. 

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A Tecnologia em Detalhe

A Descoberta

A descoberta que a pesquisa da ETH Zurich e da Inkbit alcançou é que ampliou o escopo de materiais que podem ser usados na fabricação aditiva ou impressão 3D. Enquanto antes a tecnologia era limitada apenas a plásticos de cura rápida, agora também se tornou adequada para plásticos de cura lenta. Existem muitas vantagens nessa expansão de escopo. 

Os Benefícios

• Plásticos de cura lenta têm propriedades elásticas aprimoradas.
• São mais duráveis e robustos.
• Plásticos de cura lenta possibilitam imprimir em 3D elementos robóticos complexos e mais duráveis.
• A tecnologia é compatível com uma variedade de materiais de alta qualidade
• A expansão de escopo facilita a combinação de materiais macios, elásticos e rígidos.

E finalmente,

• Eles atendem à necessidade de criar estruturas delicadas e peças com cavidades conforme desejado. 

A Aplicação

Com plásticos de cura lenta, tornou-se possível combinar os benefícios da robótica flexível e da fabricação aditiva e criar uma sinergia que beneficiará a humanidade por muito tempo. 

Os pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram com sucesso uma mão robótica que possui todas as qualidades da fisiologia humana, como ossos, ligamentos e tendões. Embora feita de diferentes polímeros, o produto final pôde ser fabricado em uma única etapa. 

De acordo com os pesquisadores, isso não teria sido possível se não tivessem conseguido incluir polímeros de cura lenta. Segundo Thomas Buchner, estudante de doutorado no grupo do professor Robert Katzschmann da ETH Zurich e primeiro autor do estudo:

“Agora estamos usando polímeros tioleno de cura lenta. Eles têm excelentes propriedades elásticas e retornam ao seu estado original muito mais rápido após a flexão do que os poliacrilatos.”

A inclusão de polímeros tioleno foi revolucionária para a produção da mão segundo os princípios da robótica flexível. Como a mão robótica é tão macia quanto uma mão humana real, apresenta menor risco de lesões e pode manusear objetos frágeis com mais eficiência. 

Para acomodar a robótica flexível e a fabricação aditiva no mesmo processo, os pesquisadores tiveram que introduzir algumas modificações na tecnologia de impressão 3D. Eles adicionaram um scanner laser 3D à impressão, que pode verificar imediatamente cada camada impressa em busca de possíveis irregularidades de superfície. 

Os pesquisadores também introduziram um mecanismo de feedback para compensar essas irregularidades. Esse mecanismo ajudou a fazer ajustes necessários em uma camada, levando em conta a irregularidade, se houver, da camada anterior. 

A ETH Zurich contou com a ajuda da Inkbit, a startup dos EUA, para desenvolver essa tecnologia de impressão. 

Inkbit: A Startup de Tecnologia de Impressão

Fundada em 2017 por Davide M. Marini, Javier Ramos e Wojciech Matusik, Inkbit é uma startup de Série B com sede em Medford, Massachusetts, Estados Unidos. O objetivo da empresa é criar uma plataforma de fabricação aditiva de próxima geração que combine impressão 3D com visão computacional. A empresa continua inovando e desenvolvendo novas soluções na área de impressão 3D. Por exemplo, em meados de novembro deste ano, demonstrou a fabricação em uma única impressão de sistemas e robôs multifuncionais complexos. 

Uma semana antes, a empresa havia introduzido o TEPU 50A, um novo elastômero de dureza média e macia. 

Existem vários outros participantes no setor que a Inkbit atende. Todos eles, juntos, buscam impulsionar o progresso da robótica flexível por meio de novas técnicas de fabricação aditiva.

Empresas com Técnicas Transformadoras de Fabricação Aditiva para Ajudar a Avançar a Robótica Flexível

#1. Flashforge

Recentemente, foi desenvolvido um agarrador macio modular impresso em 3D com agarradores macios altamente conformais. Os dedos foram compostos por atuadores pneumáticos macios de pressão positiva juntamente com um metamaterial mecânico. O metamaterial integrou uma estrutura auxética macia e nervuras flexíveis. A impressora 3D usada no processo foi uma impressora de modelagem por deposição fundida de baixo custo e código aberto da FlashForge Corporation. 

Fundada em 2011, a Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD é uma das primeiras empresas de P&D e fabricação de equipamentos e materiais de impressão 3D profissionais na China. Flashforge produtos chegam a quase 100 países e regiões globalmente. 

Desenvolveu mais de 600 revendedores de marca em mais de 50 países e regiões, tanto domésticos quanto no exterior. 

A FlashForge USA foca em tornar a impressão 3D amplamente acessível a instituições, arquitetos, engenheiros, designers, usuários industriais e aos amplos mercados de consumidores e prosumers. 

Estima-se que a Flashforge tenha uma receita superior a US$15 milhões, enquanto a FlashforgeUSA possui mais de US$7 milhões. 

#2. NinjaTek

Entre suas muitas soluções, o Cheetah® 3D Printer Filament da NinjaTek foi usado para criar ossos flexíveis e realistas para mãos protéticas. O design do dedo exigiu a incorporação de um osso impresso em 3D flexível em um molde de silicone para criar uma textura semelhante à pele e aumentar a robustez e a resistência dos dedos. A equipe de pesquisadores responsável pelo design e desenvolvimento da mão considerou o filamento semi-flexível Cheetah TPU da NinjaTek muito útil na concepção da peça protética.

NinjaTek é parte da Fenner Precision Polymers. Ela produz filamento especializado para usuários finais no setor industrial de impressão 3D. A empresa agora faz parte do Grupo Michelin. 

O Grupo Michelin registrou mais de 28,5 bilhões de euros em receita em 2022, comparado a uma receita de cerca de 24 bilhões de euros em 2021. O lucro operacional da empresa como porcentagem da receita foi próximo de 12% em 2022. 

#3. Fictiv

Outro participante importante neste campo é a Fictiv, uma empresa que oferece uma gama abrangente de serviços de impressão 3D e demonstra um forte compromisso em avançar a robótica flexível. Sua expertise é muito procurada, com grandes empresas de tecnologia médica como a Medtronic utilizando os serviços inovadores da Fictiv.

A Fictiv acredita que os robôs flexíveis são mais adaptáveis e flexíveis. Eles podem “entender melhor vários designs de alças e adaptar seus movimentos de acordo”. Também vê os robôs flexíveis como mais “pneumaticamente acionados para agarrar objetos, o que permite a fácil adição de capacidades de sucção”. 

Em maio de 2022, a Fictiv anunciou o fechamento de uma rodada de financiamento Série E de US$100 milhões. A rodada foi liderada pela Activate Capital, incluindo novos investidores como o Angeleno Group, Cross Creek e The Westly Group. Outros investidores institucionais da Fictiv incluem Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners e Standard Investments. O financiamento Série E elevou o investimento total na Fictiv para US$192 milhões desde que iniciou suas operações em 2013. 

Impressão 3D ou Tecnologia de Fabricação Aditiva na Robótica Flexível: O Que o Futuro Reserva

A impressão 3D ou fabricação aditiva está destinada a se tornar uma tecnologia chave na robótica flexível devido à sua alta qualidade e capacidade de imprimir múltiplos materiais simultaneamente. 

Os robôs flexíveis são feitos de fluidos, géis, polímeros funcionais e outros materiais facilmente deformáveis, o que ajuda a solução robótica a permanecer operacional mesmo quando esticada e comprimida. Importante, esses materiais são compatíveis com as tecnologias atuais de impressão 3D ou fabricação aditiva, que não são apenas mais rápidas, mas também mais confiáveis. Contudo, para se tornarem universalmente adaptáveis, precisarão melhorar sua escalabilidade. 

Outra vantagem das novas tecnologias de fabricação aditiva é sua alta especificidade e capacidade de imprimir as formas mais complexas. 

Novas técnicas de fabricação aditiva também são úteis ao posicionar as fontes de energia, que são parte integral da maioria dos robôs flexíveis recém-desenvolvidos. Além disso, novas técnicas de impressão 3D ajudam a posicioná-las de forma inteligente dentro das estruturas robóticas flexíveis. 

Por outro lado, os materiais macios atualmente disponíveis para impressão 3D têm uma tendência significativa a deformar-se sob as forças normalmente usadas durante o processo de construção devido ao seu próprio peso, exigindo a inclusão de material de suporte. Esse desafio destaca uma área propícia para desenvolvimento futuro. Para enfrentar isso, uma das soluções surgiu na forma de hidrogéis viscoelásticos, que podem suportar pressões que variam de quilopascais a megapascais. 

Recentemente, um grupo de pesquisa também desenvolveu com sucesso uma técnica omnidirecional que pode imprimir materiais extremamente macios, como líquidos, que podem ser mantidos no lugar por meio de polimerização em estágio posterior. 

Outra equipe de pesquisa, composta por estudantes da Delft University of Technology, introduziu outra característica empolgante. Ela ajudou a desenvolver tecnologias de impressão 3D que podem fundir silicones em cascas impressas em 3D. A técnica tem baixo custo e pode levar a robótica flexível a novos patamares no futuro. 

Com mais pesquisas e estudos científicos sobre o assunto, a fabricação aditiva ajudará a robótica flexível a tornar-se extremamente relevante no campo das ciências médicas e da saúde. Já ajudou a desenvolver luvas robóticas flexíveis impressas em 3D que são úteis para quem sofre de função limitada da mão, paralisia local e artrite. 

Cientistas também construíram mãos protéticas e robôs macios impressos em 3D com quatro pernas que podem caminhar em superfícies não uniformes e ásperas, como seixos e areia. 

Além de seu uso em reabilitação médica e de saúde, esses robôs macios podem ajudar em operações de resgate ou ser usados para coletar dados de sensores de ambientes perigosos. 

Resumindo, as oportunidades que as novas técnicas de fabricação aditiva apresentam para avançar a causa da robótica flexível são enormes. Basta que elas saiam do laboratório para uso em larga escala em benefício do público. 

Clique aqui para as dez principais ações de fabricação aditiva e impressão 3D.