Los científicos imprimen en 3D una mano robótica con huesos y tendones similares a los humanos

¿Alguna vez te has preguntado por qué los robots no pueden caminar ni mover sus cuerpos con tanta fluidez como nosotros? Alguno Los robots pueden correr, saltar o bailar. con mayor eficiencia que los humanos, pero sus movimientos corporales también parecen mecánicos. La razón de esto radica en los huesos que les faltan.

A diferencia de los humanos y los animales, los robots no tienen huesos reales ni tejidos flexibles que los conectan; Tienen enlaces y uniones artificiales hechos de materiales como fibra de carbono y tubos metálicos. Según Robert Katzschmann, profesor de robótica en ETH Zurich, estas estructuras internas permiten que un robot realice movimientos, agarre objetos y mantenga diferentes posturas. Sin embargo, dado que los eslabones y las uniones están hechos de materiales duros, los cuerpos de los robots no son tan flexibles, ágiles y blandos como los cuerpos humanos. Esto es lo que hace que sus movimientos corporales sean tan rígidos.

Pero es posible que no necesiten permanecer rígidos por mucho tiempo. Un equipo de investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) de Zurich y la startup Inkbit, con sede en EE. UU., han descubierto una manera de imprimir en 3D la primera mano robótica del mundo con una estructura interna compuesta de huesos, ligamentos y tendones similares a los humanos. Lo que hace que la mano sea aún más especial es que se imprimió utilizando un método de deposición de inyección de tinta 3D completamente nuevo llamado inyección controlada por visión (VCJ).

Impresión 3D versus robots

Actualmente, los robots impresos en 3D suelen fabricarse con poliacrilatos de curado rápido. Estos polímeros son duraderos y se solidifican rápidamente durante la deposición. Sin embargo, para evitar irregularidades, “cada capa impresa requiere una planarización mecánica [the process of smoothing an uneven surface by using mechanical force]lo que limita los niveles de suavidad y el tipo de química del material que se puede utilizar”, afirman los investigadores. nota. Por eso la norma Robots impresos en 3D Son poco elásticos y limitados en sus formas y materiales.

Debido a la rápida solidificación del material impreso, los científicos no tienen tiempo para realizar modificaciones en diferentes capas y deben emplear pasos de fabricación separados y montaje para realizar los diferentes componentes de un solo robot. Una vez que terminan de imprimir cada pieza, ensamblan estas diferentes piezas y las prueban minuciosamente, lo que hace que el proceso sea lento y tedioso.

Aquí es donde el método VCJ propuesto puede marcar una gran diferencia. Este Impresión 3d El proceso implicó el uso de polímeros de tioleno suaves y de curado lento. “Tienen muy buenas propiedades elásticas y, después de doblarse, vuelven a su estado original mucho más rápido que los poliacrilatos”, dicho Katzschmann, uno de los autores de un nuevo artículo que describe el nuevo método.

Repensar la impresión 3D para robots

En un sistema VCJ, junto con una impresora 3D, hay un escáner láser 3D que inspecciona visualmente cada capa en busca de irregularidades en la superficie a medida que se deposita. “Esta inspección visual hace que el proceso de impresión sea totalmente sin contacto, lo que permite depositar una gama más amplia de posibles polímeros. Nosotros, por ejemplo, imprimimos con polímeros a base de tiol porque nos permitían crear estructuras resistentes a la luz ultravioleta y a la humedad”, dijo Katzschmann a Ars Technica.

Después del escaneo no se produce ninguna planarización mecánica de la capa depositada. En cambio, la siguiente capa se imprime de tal manera que compense todas las irregularidades de la capa anterior. “Un mecanismo de retroalimentación compensa estas irregularidades al imprimir la siguiente capa calculando los ajustes necesarios en la cantidad de material a imprimir en tiempo real y con precisión milimétrica”. dicho Wojciech Matusik, uno de los autores del estudio y profesor de informática en el MIT.

Además, los investigadores afirman que este sistema controlado de circuito cerrado les permite imprimir la estructura completa de un robot de una vez. “Nuestra mano robótica se puede imprimir de una sola vez, sin necesidad de ensamblaje. Esto acelera enormemente el proceso de diseño de ingeniería: se puede pasar directamente de una idea a un prototipo funcional y duradero. Se evitan costosos montajes y herramientas intermedias”, añade Katzschmann.

Utilizando la técnica VCJ, los investigadores imprimieron con éxito una mano robótica que tiene estructuras internas similares a las de una mano humana. Equipada con almohadillas táctiles y sensores de presión, la mano robótica tiene 19 estructuras similares a tendones (en los humanos, los tendones son los tejidos conectivos fibrosos que conectan huesos y músculos) que le permiten mover la muñeca y los dedos. La mano puede sentir el tacto, agarrar cosas y detener los dedos cuando tocan algo. (Los investigadores utilizaron datos de resonancia magnética de una mano humana real para modelar su construcción).

El futuro de VCJ

Además de la mano, también imprimieron un corazón robótico, un robot de seis patas y un metamaterial capaz de absorber las vibraciones de su entorno. Los investigadores sugieren que todos estos robots funcionan como sistemas híbridos rígidos y blandos (robots hechos de materiales tanto blandos como duros) que pueden superar a los robots duros en términos de flexibilidad y superar los problemas relacionados con el diseño y la escala que enfrentan. robots blandos.

Dado que los robots blandos están hechos de materiales flexibles como fluidos o elastómeros, a los científicos les resulta complicado mantener su geometría y resistencia a escalas mayores, ya que los materiales pueden lucha por retener sus propiedades físicas e integridad estructural. Además, es mucho más fácil controlar y alimentar un robot blando de escala centimétrica o milimétrica; por eso se hacen más pequeños. VCJ, por otro lado, tiene el potencial de dar lugar a robots híbridos rígidos y blandos escalables.

“Prevemos que VCJ eventualmente reemplazará todos los métodos de impresión por inyección de tinta por contacto. Con VCJ puede empezar a producir piezas funcionales para robótica, implantes médicos y otras industrias. La alta resolución, las propiedades adecuadas del material y su larga vida útil hacen que las impresiones del sistema VCJ sean muy útiles tanto para aplicaciones comerciales como de investigación”, dijo Katzschmann a Ars Technica.

Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06684-3 (Acerca de los DOI)

Rupendra Brahambhatt es una periodista y cineasta experimentada. Cubre noticias científicas y culturales y, durante los últimos cinco años, ha trabajado activamente con algunas de las agencias de noticias, revistas y marcas de medios más innovadoras que operan en diferentes partes del mundo.