研究人員設(shè)計(jì)一種新的3D噴墨打印技術(shù)

據(jù)悉，一只帶韌帶和肌腱的骨骼機(jī)械手現(xiàn)在可以通過一次3D打印完成 —— 這是通過一種新的增材制造方法實(shí)現(xiàn)的，這種方法可以同時(shí)以高分辨率打印剛性和彈性材料。

這項(xiàng)新工作是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員與馬薩諸塞州梅德福市麻省理工學(xué)院一家名為Inkbit的子公司合作的結(jié)果。該小組設(shè)計(jì)了一種新的3D噴墨打印技術(shù)，能夠使用比以前更廣泛的材料。

在《自然》雜志的一篇新論文（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3）中，該小組首次表明，該技術(shù)可以用于在一次打印作業(yè)中打印由多種材料制成的復(fù)雜移動(dòng)設(shè)備。其中包括一只仿生機(jī)械手、一個(gè)帶抓取器的六條腿機(jī)器人和一個(gè)模仿心臟的泵。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的博士生、描述這項(xiàng)工作的論文的第一作者Thomas Buchner說：“對(duì)我們來說，真正令人興奮的是，這項(xiàng)技術(shù)首次使我們能夠在打印床上打印出完整的功能系統(tǒng)?！?/p>

這項(xiàng)新技術(shù)的原理與你在辦公室里使用的那種噴墨打印機(jī)相似。不過，打印機(jī)噴出的不是彩色墨水，而是暴露在紫外線下會(huì)變硬的樹脂，所以它不僅僅打印一張紙，而是一層一層地構(gòu)建3D對(duì)象。它還能夠以極高的分辨率打印，體素（相當(dāng)于像素的3D）只有幾微米寬。

3D Printed Robot Hand Has Working Tendons，YOUTU.BE

3D噴墨打印機(jī)并不是什么新鮮事，但它們可以使用的材料通常是有限的。這是因?yàn)槊恳粚佣疾豢杀苊獾赜腥毕?，而處理這一問題的標(biāo)準(zhǔn)方法是將它們刮掉或壓平。這意味著不能使用柔軟或緩慢固化的材料，因?yàn)樗鼈儠?huì)被弄臟或壓扁變形。

Inkbit多年來一直致力于解決這個(gè)問題。該公司制造了一臺(tái)打印機(jī)，該打印機(jī)具有在多個(gè)噴墨單元、紫外線固化單元和掃描單元下方上下移動(dòng)的平臺(tái)。在沉積并固化層之后，掃描儀創(chuàng)建打印表面的深度圖，然后將其與3D模型進(jìn)行比較，以確定如何調(diào)整噴墨單元的沉積速率，以消除任何不規(guī)則性。上一層樹脂過多的區(qū)域在下一層樹脂過少，反之亦然。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)教授Robert Katzschmann表示，這意味著一旦材料沉積，打印機(jī)就不需要與材料接觸。“這帶來了各種好處，因?yàn)楝F(xiàn)在你可以使用聚合時(shí)間更長(zhǎng)、硬化時(shí)間更長(zhǎng)的化學(xué)物質(zhì)，這為更有用的材料開辟了一個(gè)全新的空間?！?/p>

“We can actually now create a structure or a robot in one shot. It might require maybe adding a motor here or there, but the actual complexity of the structure is all there.”
—ROBERT KATZSCHMANN, ETH ZURICH

此前，Inkbit一直在使用一種掃描方法，一次只能捕獲2厘米寬的區(qū)域的圖像。在將所有圖像拼接在一起并進(jìn)行分析之前，必須多次重復(fù)該過程，這大大縮短了制造時(shí)間。這項(xiàng)新技術(shù)使用了一種更快的激光掃描系統(tǒng)，該設(shè)備現(xiàn)在的打印速度是以前的660倍。此外，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)證明，他們可以使用稱為硫醇烯的彈性聚合物進(jìn)行打印。這些材料固化緩慢，但它們比丙烯酸酯（通常用于商業(yè)3D噴墨打印機(jī)的橡膠狀材料）更有彈性，更耐用。

為了展示新的3D打印工藝的潛力，研究人員打印了一只機(jī)械手。該設(shè)備的特點(diǎn)是以人手的MRI掃描為模型的剛性骨骼和彈性肌腱，這些肌腱可以連接到伺服系統(tǒng)，使手指向手掌彎曲。每個(gè)指尖都有一層薄膜，薄膜后面有一個(gè)小空腔，與印在手指結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)管相連。當(dāng)手指接觸到東西時(shí)，空腔被壓縮，導(dǎo)致管道內(nèi)的壓力上升。這是由管子末端的壓力傳感器檢測(cè)到的，該信號(hào)用于告訴手指在達(dá)到一定壓力后停止卷曲。

研究人員用手抓握各種物體，包括鋼筆和水瓶，并用拇指觸摸指尖。至關(guān)重要的是，除了伺服系統(tǒng)和壓力傳感器外，機(jī)械手的所有功能部件都是在一次打印作業(yè)中生產(chǎn)的。Katzschmann說：“我們認(rèn)為我們的工作很新穎，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以一次創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)或機(jī)器人。整個(gè)過程可能需要在這里或那里添加一個(gè)電機(jī)，但結(jié)構(gòu)的實(shí)際復(fù)雜性就在那里?！?/p>

研究人員還創(chuàng)造了一個(gè)氣動(dòng)六條腿機(jī)器人，它有一個(gè)可以來回行走并拿起一盒Tic-Tacs的夾具，還有一個(gè)模仿人類心臟的泵，具有單向閥和內(nèi)部壓力傳感器，能夠每分鐘泵送2.3升液體。

Katzschmann說，未來的工作將著眼于進(jìn)一步擴(kuò)大打印機(jī)可以使用的材料的數(shù)量。目前，它們僅限于可以使用紫外線固化的材料，并且粘性不太大，無法在噴墨打印機(jī)中工作。但這些可能擴(kuò)展至包括硬環(huán)氧樹脂、適用于組織工程的水凝膠，甚至可以將電子電路打印到設(shè)備中的導(dǎo)電聚合物。

審核編輯：彭菁