Eine skelettartige Roboterhand mit funktionierenden Bändern und Sehnen kann jetzt in einem Durchgang 3D-gedruckt werden. Möglich wurde die gruselige Leistung durch einen neuen Ansatz der additiven Fertigung, der sowohl starre als auch elastische Materialien gleichzeitig in hoher Auflösung drucken kann.
Die neue Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Forschern der ETH Zürich in der Schweiz und einem Spin-out des Massachusetts Institute of Technology namens Inkbit mit Sitz in Medford, Massachusetts. Die Gruppe hat eine neue 3D-Tintenstrahldrucktechnik entwickelt, die eine breitere Nutzung ermöglicht Materialauswahl als bei früheren Geräten.
In einem neuen Artikel in Natur, hat die Gruppe erstmals gezeigt, dass mit der Technologie komplexe bewegliche Geräte aus mehreren Materialien in einem einzigen Druckauftrag gedruckt werden können. Dazu gehören eine bioinspirierte Roboterhand, ein sechsbeiniger Roboter mit Greifer und eine dem Herzen nachempfundene Pumpe.
„Was für uns wirklich spannend war, war, dass diese Technologie es uns erstmals ermöglichte, komplette Funktionssysteme zu drucken, die direkt vom Druckbett aus funktionieren“, sagt Thomas Buchner, Ph.D. Student an der ETH Zürich und Erstautor der die Arbeit beschreibenden Arbeit.
Die neue Technik basiert auf ähnlichen Prinzipien wie die Art von Tintenstrahldruckern, die man in einem Büro findet. Anstelle von farbigen Tinten versprüht der Drucker jedoch Harze, die unter Einwirkung von ultraviolettem (UV) Licht aushärten, und statt nur ein einzelnes Blatt zu drucken, baut er 3D-Objekte Schicht für Schicht auf. Es ist außerdem in der Lage, mit extrem hoher Auflösung zu drucken, wobei Voxel – das 3D-Äquivalent von Pixeln – nur wenige Mikrometer groß sind.
3D-gedruckte Roboterhand hat funktionierende SehnenYoutube
3D-Tintenstrahldrucker sind nicht neu, aber die Palette der Materialien, die sie verwenden können, war in der Regel begrenzt. Das liegt daran, dass jede Schicht unweigerlich Unvollkommenheiten aufweist und die übliche Vorgehensweise darin besteht, diese abzukratzen oder flach auszurollen. Daher dürfen keine weichen oder langsam aushärtenden Materialien verwendet werden, da diese sonst verschmieren oder gequetscht werden.
Inkbit arbeitet seit einigen Jahren an einer Lösung für dieses Problem. Das Unternehmen hat einen Drucker gebaut, der über eine Plattform verfügt, die sich unter mehreren Tintenstrahleinheiten, einer UV-Härtungseinheit und einer Scaneinheit auf und ab bewegt. Nachdem eine Schicht aufgetragen und ausgehärtet wurde, erstellt der Scanner eine Tiefenkarte der Druckoberfläche, die dann mit dem 3D-Modell verglichen wird, um herauszufinden, wie die Auftragungsrate der Tintenstrahleinheiten angepasst werden kann, um etwaige Unregelmäßigkeiten auszugleichen. Bereiche, die in der vorherigen Schicht zu viel Harz erhalten haben, erhalten in der nächsten weniger Harz und umgekehrt.
„Das bedeutet, dass der Drucker nach dem Auftragen keinen Kontakt mit den Materialien benötigt“, sagt Robert Katzschmann, Robotikprofessor an der ETH Zürich, der die Forschung leitete. „Das bringt alle möglichen Vorteile mit sich, denn jetzt können Chemikalien verwendet werden, deren Polymerisation länger dauert, deren Aushärtung länger dauert, und das eröffnet einen völlig neuen Raum für viel nützlichere Materialien.“
„Wir können jetzt tatsächlich eine Struktur oder einen Roboter auf einmal erstellen. Möglicherweise muss hier oder da ein Motor hinzugefügt werden, aber die tatsächliche Komplexität der Struktur ist vorhanden.“
—Robert Katzschmann, ETH Zürich
Zuvor hatte Inkbit einen Scan-Ansatz verwendet, der Bilder von Bereichen mit einem Durchmesser von jeweils nur 2 Zentimetern erfassen konnte. Dieser Vorgang musste mehrmals wiederholt werden, bevor alle Bilder zusammengefügt und analysiert wurden, was die Herstellungszeiten erheblich verlangsamte. Die neue Technik nutzt ein viel schnelleres Laserscansystem – das Gerät kann jetzt 660-mal so schnell drucken wie zuvor. Darüber hinaus hat das Team nun gezeigt, dass sie mit elastischen Polymeren namens Thiol-Enen drucken können. Diese Materialien härten langsam aus, sind aber viel elastischer und haltbarer als Acrylate, die gummiartigen Materialien, die normalerweise in kommerziellen 3D-Tintenstrahldruckern verwendet werden.
Um das Potenzial des neuen 3D-Druckverfahrens zu demonstrieren, druckten die Forscher eine Roboterhand. Das Gerät verfügt über starre Knochen, die MRT-Scans menschlicher Hände nachempfunden sind, und elastische Sehnen, die mit Servos verbunden werden können, um die Finger in Richtung Handfläche zu krümmen. Jede Fingerspitze verfügt außerdem über eine dünne Membran mit einem kleinen Hohlraum dahinter, der mit einem langen Schlauch verbunden ist, der in die Struktur des Fingers eingedruckt ist. Wenn der Finger etwas berührt, wird der Hohlraum zusammengedrückt, wodurch der Druck im Inneren des Schlauchs steigt. Dies wird von einem Drucksensor am Ende des Schlauchs erfasst und mit diesem Signal den Fingern mitgeteilt, dass sie mit dem Kräuseln aufhören sollen, sobald ein bestimmter Druck erreicht ist.
Die Forscher nutzten die Hand, um verschiedene Gegenstände zu ergreifen, darunter einen Stift und eine Wasserflasche, und berührten mit dem Daumen jede ihrer Fingerspitzen. Entscheidend ist, dass alle Funktionsteile der Roboterhand, mit Ausnahme der Servos und der Drucksensoren, in einem einzigen Druckauftrag hergestellt wurden. „Das Neue an unserer Arbeit ist für uns, dass wir nun tatsächlich in einem Schuss eine Struktur oder einen Roboter erschaffen können“, sagt Katzschmann. „Vielleicht muss hier oder da ein Motor hinzugefügt werden, aber die tatsächliche Komplexität der Struktur ist vorhanden.“
Die Forscher entwickelten außerdem einen pneumatisch angetriebenen sechsbeinigen Roboter mit einem Greifer, der hin und her gehen und eine Schachtel Tic-Tacs aufnehmen konnte, sowie eine dem menschlichen Herzen nachempfundene Pumpe mit Einwegventilen und internen Drucksensoren , das 2,3 Liter Flüssigkeit pro Minute pumpen konnte.
Zukünftige Arbeiten werden darauf abzielen, die Anzahl der Materialien, die der Drucker verwenden kann, weiter zu erweitern, sagt Katzschmann. Sie sind auf Materialien beschränkt, die mit UV-Licht ausgehärtet werden können und nicht zu viskos sind, um in einem Tintenstrahldrucker zu funktionieren. Aber dazu könnten Dinge wie harte Epoxidharze, Hydrogele, die sich für die Gewebezüchtung eignen, oder sogar leitfähige Polymere gehören, die es ermöglichen könnten, elektronische Schaltkreise in Geräte zu drucken.
