Ученые впервые сделали робота с костями и сухожилиями

Трехмерная печать развивается семимильными шагами: расширяются сферы ее применения и спектр материалов. Раньше серьезным ограничителем становилось использование быстро затвердевающего пластика, но теперь в ход пошел более эластичный, прочный и долговечный, медленно затвердевающий полимер. Его применение стало возможным благодаря новой технологии, которая позволяет комбинировать мягкие, эластичные и жесткие материалы и печатать из них тонкие структуры и детали с полостями. 

Как настоящая 

В качестве примера исследователи сделали роботизированную руку с костями, связками и сухожилиями, напечатанными из тиоленовых полимеров медленного отверждения. Они обладают хорошими эластичными свойствами и гораздо быстрее возвращаются в исходное состояние после сгиба, чем более привычные в печати полиакрилаты. Это то, что надо для создания человекоподобного робота. Ученые уверены, что такие машины будут иметь важные преимущества перед привычными металлическими собратьями. Например, они смогут работать даже с маленькими детьми без риска им навредить.

Кроме того, ученые напечатали насос с гидравлическим приводом, напоминающий сердце. У него есть мембраны и клапаны, вдохновленные геометрией и механизмами этого органа у млекопитающих, которые уже оптимизированы природой. Несколько малых и больших полостей с тонкими мягкими мембранами и жесткими стенками были напечатаны за один подход. Ранее подобные конструкции делали путем создания отдельных компонентов, и этот процесс всегда сопровождался трудоемкой сборкой.

Как это работает? 

Трехмерные объекты печатают слой за слоем: каждый последующий поверх предыдущего. Под ультрафиолетовой лампой они немедленно затвердевают. По разным причинам эти уровни могут быть неровными, и тогда конечная модель не получится. Поэтому основная проблема данной технологии — большое количество брака. Однако исследователям удалось ее решить с помощью специального механизма обратной связи.

Предыдущие методы включали устройство, которое соскребало неудачные слои, но теперь этого не требуется, поскольку последующий может заклеивать неровности предыдущего. Лазерный 3D-сканер проверяет каждый напечатанный слой на наличие брака, и при дальнейшем нанесении эти недочеты компенсируются. Это занимает больше времени, но такой механизм обратной связи позволяет корректировать модель в реальном времени и с высокой точностью. Исследователи назвали данный метод производства струйной обработкой с визуальным управлением. Он позволяет создавать детали с широким диапазоном химических и внешних свойств материалов, а также совмещать их между собой. 

Предметы, созданные с помощью новой технологии Изображение: © TJK Buchner / ETH Zürich

Стройматериалом выступают различные типы смол. Их распыляют одновременно с каплями воска, которые служат основой. Затем смола полимеризуется под воздействием ультрафиолетового излучения, а воск затвердевает при охлаждении. Как и в случае с обычными струйными принтерами, в этом процессе также используются пьезоэлектрические печатающие головки, но здесь еще встроен профилометр. Управляемая система позволяет осуществлять однопроходную печать на нескольких материалах — в настоящее время до трех строительных и одного вспомогательного.

Теперь ученые планируют не только продолжить заниматься человекоподобными роботами, но и дальше развивать новую технологию печати сложных структур, сфера применения которой машинами не ограничивается. 

«Сейчас мы используем тиоленовые полимеры медленного отверждения. Они обладают очень хорошими эластичными свойствами и гораздо быстрее возвращаются в исходное состояние после изгиба, чем полиакрилаты. Это делает тиоленовые полимеры идеальными для изготовления эластичных связок роботизированной руки», — рассказал аспирант ETH Zurich и соавтор исследования Томас Бухнер.