Nature: Новый 3d-принтер станет зрячим и развяжет руки инженерам

С помощью систем струйной 3D-печати инженеры могут создавать гибридные конструкции, состоящие из мягких и жестких компонентов, например, роботизированные захваты, достаточно прочные для захвата тяжелых предметов, но достаточно мягкие для безопасного взаимодействия с человеком.

В этих многоматериальных системах 3D-печати используются тысячи сопел для нанесения крошечных капель смолы, которые разглаживаются скребком или валиком и отверждаются под действием УФ-излучения. Однако процесс разглаживания может смять или размазать смолу, которая отверждается медленно, что ограничивает возможности использования материалов.

Исследователи из Массачусетского технологического института, компании Inkbit и Высшей технической школы Цюриха разработали новую систему струйной 3D-печати, которая работает с гораздо более широким спектром материалов. Принтер использует компьютерное зрение для автоматического сканирования поверхности 3D-печати и регулировки количества смолы, подаваемой каждой форсункой в режиме реального времени, чтобы не допустить переизбытка или недостатка материала.

Поскольку для разглаживания смолы не требуются механические детали, эта бесконтактная система работает с материалами, которые отверждаются медленнее, чем акрилаты, традиционно используемые в 3D-печати. Некоторые химические составы материалов с более медленным отверждением могут иметь улучшенные характеристики по сравнению с акрилатами, например, большую эластичность, прочность или долговечность.

Кроме того, автоматическая система вносит коррективы, не останавливая и не замедляя процесс печати, что делает этот принтер производственного класса примерно в 660 раз быстрее, чем аналогичная система струйной 3D-печати.

Исследователи использовали этот принтер для создания сложных роботизированных устройств, сочетающих мягкие и жесткие материалы. Например, они изготовили полностью 3D-печатный роботизированный захват, по форме напоминающий человеческую руку и управляемый набором армированных, но гибких сухожилий.

Ключевым моментом здесь была разработка системы машинного зрения и полностью активного контура обратной связи. Это почти то же самое, что наделить принтер набором глаз и мозгом, где глаза наблюдают за тем, что печатается, а мозг машины направляет ее, что печатать дальше, — говорит соавтор статьи Войцех Матусик, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, возглавляющий группу вычислительного проектирования и изготовления изделий в Лаборатории вычислительной техники и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).

В работе над статьей принимают участие ведущий автор Томас Бухнер (Thomas Buchner), докторант ETH Zurich, соавтор Роберт Кацшманн (Robert Katzschmann), PhD '18, доцент кафедры робототехники, возглавляющий лабораторию мягкой робототехники ETH Zurich, а также другие сотрудники ETH Zurich и Inkbit.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Контакт бесплатный

Данная работа основана на недорогом мультиматериальном 3D-принтере MultiFab, который исследователи представили в 2015 году. Благодаря использованию тысяч сопел для нанесения крошечных капель смолы, отверждаемой ультрафиолетовым излучением, MultiFab позволяет осуществлять 3D-печать с высоким разрешением с использованием до 10 материалов одновременно.

В новом проекте исследователи стремились к бесконтактному процессу, который позволил бы расширить спектр материалов, используемых для изготовления более сложных устройств.

Они разработали технологию, известную как струйная печать с контролем зрения, в которой используются четыре камеры с высокой частотой кадров и два лазера, быстро и непрерывно сканирующие поверхность печати. Камеры фиксируют, как тысячи сопел наносят крошечные капли смолы.

Система компьютерного зрения преобразует изображение в карту глубины высокого разрешения, что занимает менее секунды. Система сравнивает карту глубины с CAD-моделью изготавливаемой детали и регулирует количество наносимой смолы, чтобы объект соответствовал конечной структуре.

Автоматизированная система может вносить коррективы в работу каждого отдельного сопла. Поскольку принтер имеет 16 000 сопел, система может контролировать мелкие детали изготавливаемого устройства.

Геометрически он может напечатать практически все, что угодно, из различных материалов. Практически нет ограничений в отношении того, что можно отправить на принтер, и то, что получается, действительно функционально и долговечно, — говорит Кацшман.

Уровень контроля, обеспечиваемый системой, позволяет очень точно печатать воском, который используется в качестве вспомогательного материала для создания полостей или сложных сетей каналов внутри объекта. Воск печатается под структурой по мере изготовления устройства. После завершения изготовления объект нагревается, воск плавится и стекает, оставляя открытые каналы по всему объекту.

Благодаря возможности автоматической и быстрой регулировки количества материала, наносимого каждым из сопел в режиме реального времени, система не нуждается в механическом перемещении по поверхности печати для поддержания ее в ровном состоянии. Это позволяет принтеру использовать материалы, которые отверждаются более постепенно и были бы размазаны скребком.

Превосходные материалы

Исследователи использовали систему для печати материалами на основе тиола, которые отверждаются медленнее, чем традиционные акриловые материалы, используемые в 3D-печати. Однако материалы на основе тиолов более эластичны и не так легко разрушаются, как акрилаты. Кроме того, они более стабильны в широком диапазоне температур и не так быстро разрушаются под воздействием солнечного света.

Эти свойства очень важны при создании роботов или систем, которые должны взаимодействовать с реальной средой, — говорит Кацшман.

Исследователи использовали материалы на основе тиола и воск для изготовления нескольких сложных устройств, которые в противном случае было бы практически невозможно создать с помощью существующих систем 3D-печати. Например, они изготовили функциональную роботизированную руку, управляемую сухожилиями, которая имеет 19 независимо приводимых в действие сухожилий, мягкие пальцы с сенсорными подушечками и жесткие кости, несущие нагрузку.

Мы также создали шестиногого шагающего робота, который может ощущать объекты и хватать их, что стало возможным благодаря способности системы создавать герметичные интерфейсы мягких и жестких материалов, а также сложные каналы внутри структуры, — говорит Бюхнер.

Команда также продемонстрировала технологию на примере насоса, похожего на сердце, со встроенными желудочками и искусственными сердечными клапанами, а также метаматериалов, которые можно запрограммировать на нелинейные свойства материала.

Это только начало. Существует удивительное количество новых типов материалов, которые можно добавить в эту технологию. Это позволяет нам получить совершенно новые семейства материалов, которые раньше не могли быть использованы в 3D-печати, — говорит Матусик.

В настоящее время исследователи рассматривают возможность использования системы для печати гидрогелями, которые применяются в тканевой инженерии, а также кремниевыми материалами, эпоксидными смолами и специальными типами прочных полимеров.

Они также хотят изучить новые области применения, такие как печать настраиваемых медицинских устройств, полупроводниковых полировальных пластин и даже более сложных роботов.

15.11.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий

Новости компаний, релизы

Физики СПбГУ и Института проблем машиноведения РАН улучшили ударопрочные характеристики нержавеющей стали
КВЗ принимает заявки на целевое обучение в проект «Крылья Ростеха»
Ученые СПбГУ смоделировали сценарии появления таликов в вечной мерзлоте Антарктиды
Треть работодателей тратят на адаптацию одного нового сотрудника до 100 тысяч рублей
Палеонтолог СПбГУ описал новый вид динозавров-бегунов из Кемеровской области