Händer som en människa: Ny additiv tillverkning hjälper mjukrobotik att bli verklig

I den snabbt föränderliga landskapet för robotik framträder en ny front som lovar att omforma vår förståelse av området: mjukrobotik. Detta innovativa tillvägagångssätt gör framsteg tack vare banbrytande additiva tillverkningstekniker.

I den här artikeln utforskar vi mjukrobotikens område och undersöker hur de senaste framstegen inom additiv tillverkning driver tekniken framåt.

Vad är mjukrobotik?

Mjukrobotik försöker införa teknologier som mer liknar de fysiska egenskaperna hos levande organismer, och ersätter de stela rörelserna vi förknippar med robotar. Det betraktas som en form av biomimik där de konventionella linjära och stelbenta egenskaperna hos robotik ger vika för sofistikerade modeller; mjukrobotik efterliknar mänskligt, djur- och växtliv.

Forskare uppskattar att mjukrobotikmarknaden kommer att bli en betydligt stor möjlighet i framtiden, med en marknadsstorlek som växer från mer än US$770 miljoner 2022 till nästan US$22 miljarder 2030. Det skulle innebära en fenomenal tillväxt på nära 75 % CAGR.

Enligt Harvard Biodesign Lab, som hjälper förstå teknologin för mjukrobotik som fluidiska aktuatorer med elastomeriska matriser med inbäddade flexibla material som tyg, papper, fiber och partiklar, kommer mjukrobotik att bli populär för sin lättvikt, prisvärdhet och enkla anpassningsbarhet till en given tillämpning.

Vissa tillämpningar av mjukrobotik

Harvard Biodesign Lab uppskattar att det idag finns fyra miljoner kroniska strokeöverlevare med hemipares i USA och ytterligare sex miljoner i andra utvecklade länder globalt. Dessa överlevare förlorar ofta motoriska förmågor i sina händer. Mjukrobotik kan hjälpa dem att hantera denna utmaning genom att utveckla en modulär, säker, bärbar, förbrukningsbar handrehabiliterings- och assistansanordning för hemmabruk.

I USA är livstidsrisken för att utveckla hjärtsvikt nära 20%. Genom att utnyttja teknologin bakom mjukrobotik utvecklar laboratoriet en bänktoppskardiologisk simulator och en Direct Cardiac Compression (DCC)-enhet som kommer att hjälpa till att behandla hjärtsvikt.

Med alla dessa fördelaktiga tillämpningar och mer kan mjukrobotik spela en betydande roll i patientrehabilitering och förbättring av livskvalitet världen över. Alla teknologier som hjälper till att driva mjukrobotikens sak framåt är – därför – positiva. Vi kommer idag att diskutera några sådana tillverkningstekniker.

3D‑utskrift eller additiv tillverkningsteknik i mjukrobotik

3D‑utskrift, även känt som additiv tillverkning, handlar om att skapa tredimensionella objekt från en digital fil. Det kallas additiv tillverkning på grund av sin inneboende utvecklingsprocess.

I den additiva tillverkningsprocessen utvecklas ett objekt genom att lägga ner på varandra följande lager av material tills den slutliga formen och strukturen av det önskade objektet uppnås.

Varje lager är i själva verket ett tunnt skivat tvärsnitt av det önskade objektet. Additiv tillverkning skiljer sig från den traditionella subtraktiva tillverkningen, där delar av den önskade formen och storleken kapas ur ett stort block av råmaterial.

3D‑utskrift eller additiv tillverkning involverar vanligtvis en 3D‑modell, en 3D‑programvara och en 3D‑skrivare. Processen har redan hittat tillämpningar inom tillverkning av konsumentprodukter, industriella produkter, tandprodukter, proteser, arkitektoniska skala modeller och maketter, rekonstruerade fossiler, repliker av antika artefakter, rekonstruerade bevis inom forensisk psykologi, filmrekvisita och mer.

Nu har den den har funnit användbarhet i det mer sofistikerade området mjukrobotik. ETH Zürich och ett amerikanskt startup, Inkbit, har gemensamt gjort det möjligt.

Medan Inkbit är ett MIT‑spin‑off, går ETH Zürichs universitet för vetenskap och teknik tillbaka till 1855, “när grundarna av det moderna Schweiz skapade det som ett centrum för innovation och kunskap.”

Klicka här för att lära dig allt om att investera i 3D‑utskrift/additiv tillverkning.

Tekniken i detalj

Genombrottet

Genombrottet som ETH Zürich och Inkbits forskning har uppnått är att de har utökat materialutbudet som kan användas i additiv tillverkning eller 3D‑utskrift. Medan tekniken tidigare bara var begränsad till snabbt härdande plaster, är den nu även lämplig för långsamt härdande plaster. Det finns många fördelar med denna utökning av räckvidden.

Fördelarna

• Långsamt härdande plaster har förbättrade elastiska egenskaper.
• De är mer hållbara och robusta.
• Långsamt härdande plaster möjliggör 3D‑utskrift av komplexa och mer hållbara robotkomponenter.
• Tekniken är kompatibel med en mängd högkvalitativa material
• Den utökade räckvidden gör det enklare att kombinera mjuka, elastiska och stela material.

Och slutligen,

• De uppfyller kravet att skapa delikata strukturer och delar med hålrum där och när det önskas.

Tillämpningen

Med långsamt härdande plaster har det blivit möjligt att förena fördelarna med mjukrobotik och additiv tillverkning och skapa ett samspel som kommer att gynna mänskligheten under en mycket lång tid.

Forskare vid ETH Zürich har framgångsrikt utvecklat en robothand som har alla egenskaper hos mänsklig fysiologi, såsom ben, ligament och senor. Även om den är gjord av olika polymerer kunde den slutliga produkten tillverkas i ett enda steg.

Enligt forskarna skulle detta inte ha varit möjligt om de inte kunnat inkludera långsamt härdande polymerer. Enligt Thomas Buchner, doktorand i gruppen för ETH Zürichs robotikprofessor Robert Katzschmann och den första författaren till studien:

“Vi använder nu långsamt härdande tiolenpolymerer. Dessa har mycket goda elastiska egenskaper och återgår till sitt ursprungliga tillstånd mycket snabbare efter böjning än polyakrylater.”

Inkluderingen av tiolenpolymerer har varit banbrytande för att producera handen enligt mjukrobotikens principer. Eftersom robothanden är lika mjuk som en riktig mänsklig hand har den mindre risk för skador och kan hantera ömtåliga föremål bättre.

För att integrera mjukrobotik och additiv tillverkning i samma process var forskarna tvungna att införa vissa modifieringar av 3D‑utskriftstekniken. De lade till en 3D‑laserskanner till skrivaren, som omedelbart kan kontrollera varje tryckt lager för potentiella ytirregulariteter.

Forskarnas introducerade också en återkopplingsmekanism för att kompensera för dessa oregelbundenheter. Denna mekanism hjälpte till att göra nödvändiga justeringar av ett lager, med hänsyn till ojämnheten, om någon, i föregående lager.

ETH Zürich tog hjälp av Inkbit, det amerikanska startup‑företaget, för att utveckla denna utskriftsteknik.

Inkbit: Utskriftsteknologins startup

Grundat 2017 av Davide M. Marini, Javier Ramos och Wojciech Matusik, är Inkbit är ett Series B‑startup med huvudkontor i Medford, Massachusetts, USA. Företagets syfte är att skapa en nästa generations additiva tillverkningsplattform som kombinerar 3D‑utskrift med maskinseende. Företaget fortsätter att innovera och utveckla nya lösningar inom 3D‑utskrift. Till exempel demonstrerade de i mitten av november i år tillverkning i ett enda utskriftsförlopp av komplexa multifunktionella system och robotar.

En vecka tidigare hade företaget introducerat TEPU 50A, en ny mjuk‑medium durometer‑elastomer.

Det finns flera andra aktörer inom området som Inkbit betjänar. Alla tillsammans försöker driva framsteg inom mjukrobotik genom nya additiva tillverkningstekniker.

Företag med transformerande additiva tillverkningstekniker för att hjälpa till att driva mjukrobotik framåt

#1. Flashforge

Nyligen utvecklades ett 3D‑utskrivet modulärt mjukt gripverktyg med mycket konforma mjuka gripare. Fingrarna bestod av positivt tryckande mjuka pneumatiska aktuatorer tillsammans med ett mekaniskt metamaterial. Metamaterialet integrerade en mjuk auxetisk struktur och eftergivande ribbor. 3D‑skrivaren som användes i processen var en lågkostnads, öppen källkod smältdepositionsmodellering 3D‑skrivare från FlashForge Corporation.

Etablerat 2011 är Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD ett av de första professionella företag inom forskning och utveckling samt tillverkning av 3D‑skrivningsutrustning och material i Kina. Flashforge produkter levereras till nästan 100 länder och regioner globalt.

Företaget har utvecklat mer än 600 varumärkesåterförsäljare i mer än 50 länder och regioner både nationellt och internationellt.

FlashForge USA fokuserar på att göra 3D‑utskrift allmänt tillgänglig för institutioner, arkitekter, ingenjörer, designers, industriella användare samt den breda konsument- och prosumermarknaden.

Uppskattningsvis har Flashforge en omsättning på mer än US$15 miljoner, medan FlashforgeUSA har mer än US$7 miljoner.

#2. NinjaTek

Bland sina många lösningar har NinjaTeks Cheetah® 3D Printer Filament använts för att skapa flexibla, livliknande ben för proteshänder. Fingerdesignen krävde inbäddning av ett flexibelt 3D‑utskrivet ben i en silikonform för att skapa en realistisk hudliknande textur och öka fingerna robusthet och styrka. Forskarteamet som ansvarade för design och utveckling av handen fann NinjaTeks halvflexibla Cheetah TPU‑filament mycket användbart vid design av den protesliknande delen.

NinjaTek är en del av Fenner Precision Polymers. Företaget producerar specialfilament för slutanvändare inom 3D‑utskriftsindustrin. Företaget är nu ett Michelin‑koncernföretag.

Michelin Group registrerade mer än 28,5 miljarder euro i omsättning 2022, jämfört med en omsättning på nära 24 miljarder euro 2021. Företagets rörelseresultat som andel av omsättningen var nära 12 % 2022.

#3. Fictiv

En annan nyckelaktör inom detta område är Fictiv, ett företag som erbjuder ett omfattande sortiment av 3D‑utskriftstjänster och visar ett starkt engagemang för att driva mjukrobotik framåt. Deras expertis är mycket efterfrågad, med stora med‑tech‑företag som Medtronic som använder Fictivs innovativa tjänster.

Fictiv anser att mjuka robotar är mer anpassningsbara och flexibla. De kan “bättre förstå olika handtagsdesigner och anpassa sina rörelser därefter.” De ser också mjuka robotar som mer “pneumatiskt aktiverade för att greppa föremål, vilket möjliggör enkel tillsats av sugfunktioner.”

I maj 2022 meddelade Fictiv avslutandet av en finansieringsrunda på 100 miljoner dollar i Serie E. Rundan leddes av Activate Capital, med nya investerare som Angeleno Group, Cross Creek och The Westly Group. Fictivs andra institutionella investerare inkluderar Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners och Standard Investments. Serie E‑finansieringen förde den totala investeringen i Fictiv till 192 miljoner US‑dollar sedan företaget startade sin verksamhet 2013.

3D‑utskrift eller additiv tillverkningsteknik i mjukrobotik: Vad framtiden bär med sig

3D‑utskrift eller additiv tillverkning kommer att bli en nyckelteknik i mjukrobotik på grund av dess höga kvalitet och förmåga att samtidigt skriva ut flera material.

Mjukrobotar är gjorda av vätskor, geléer, funktionella polymerer och andra lätt deformerbara material, vilket hjälper den robotiska lösningen att förbli operativ även när den sträcks och kläms. Viktigt är att dessa material är kompatibla med nuvarande 3D‑utskrift- eller additiva tillverkningstekniker, som inte bara är snabbare utan också mer pålitliga. För att bli universellt anpassningsbara måste de dock förbättra sin skalbarhet.

En annan fördel med de nya additiva tillverkningsteknikerna är deras höga specificitet och förmåga att skriva ut de mest komplexa formerna.

Nya additiva tillverkningstekniker är också användbara när det gäller placeringen av strömkällor, som är en integrerad del av de flesta av de nyutvecklade mjukrobotarna. Dessutom hjälper nya 3D‑utskriftstekniker till att intelligent placera dem inom de mjuka robotstrukturerna.

Å andra sidan har de för närvarande tillgängliga 3D‑utskrivbara mjuka materialen en betydande tendens att deformeras under de normala krafterna som används under byggprocessen på grund av sin egen vikt, vilket kräver införandet av stödmaterial. Denna utmaning markerar ett område som är moget för vidare utveckling. En av lösningarna har framkommit i form av viskoelastiska hydrogeler, som kan motstå tryck från kilopascal till megapascal.

Nyligen har en forskningsgrupp också framgångsrikt utvecklat en omnidirektionell teknik som kan skriva ut extremt mjuka material som vätskor som kan hållas på plats genom polymerisation i ett senare skede.

Ett annat forskningslag, bestående av studenter från Delft University of Technology, har introducerat en annan spännande funktion. Det har hjälpt till att utveckla 3D‑utskriftstekniker som kan gjuta silikon i 3D‑utskrivna skal. Tekniken är kostnadseffektiv och kan hjälpa mjukrobotik att nå nya höjder i framtiden.

Med mer forskning och vetenskapliga studier på ämnet kommer additiv tillverkning att hjälpa mjukrobotik att bli mycket relevant inom medicin och hälsovetenskap. Den har redan hjälpt till att utveckla mjukrobotiska 3D‑utskrivna handskar som är användbara för dem som lider av begränsad handfunktion, lokal förlamning och artrit.

Forskare har också byggt proteshänder och 3D‑utskrivna mjuka robotar med fyra ben som kan gå på ojämna och grova ytor såsom stenar och sand.

Förutom deras medicinska och rehabiliteringsanvändning kan sådana mjuka robotar hjälpa vid räddningsoperationer eller användas för att samla in sensordata från farliga miljöer.

Sammanfattningsvis är de möjligheter som nya additiva tillverkningstekniker erbjuder för att driva mjukrobotikens sak enorma. Det enda som återstår är att de måste komma ut ur laboratoriet för storskalig användning till allmännyttan.

Klicka här för de tio bästa aktierna inom additiv tillverkning och 3D‑utskrift.