Bàn tay như con người: Sản xuất phụ gia mới giúp robot mềm trở thành hiện thực

Trong bối cảnh robot phát triển nhanh chóng, một lĩnh vực mới đang xuất hiện hứa hẹn sẽ định hình lại hiểu biết của chúng ta về lĩnh vực này: robot mềm. Cách tiếp cận sáng tạo này đang có những bước tiến nhờ các kỹ thuật sản xuất bồi đắp tiên tiến. 

Trong bài viết này, chúng ta khám phá lĩnh vực robot mềm và xem xét những tiến bộ gần đây trong sản xuất bồi đắp đang thúc đẩy công nghệ này phát triển như thế nào.

Robot mềm là gì?

Robot mềm cố gắng giới thiệu các công nghệ gần giống với đặc điểm vật lý của các sinh vật sống hơn, thay thế các chuyển động cứng nhắc mà chúng ta liên tưởng đến robot. Được coi là một dạng mô phỏng sinh học trong đó các đặc điểm tuyến tính và cố định thông thường của robot được loại bỏ để nhường chỗ cho các mô hình phức tạp, robot mềm bắt chước đời sống của con người, động vật và thực vật. 

Các nhà nghiên cứu ước tính thị trường robot mềm để trở thành một cơ hội lớn đáng kể trong tương lai, với quy mô thị trường tăng từ hơn 770 triệu USD vào năm 2022 lên gần 22 tỷ USD vào năm 2030. Điều đó có nghĩa là mức tăng trưởng phi thường với CAGR gần 75%. 

Theo Phòng thí nghiệm thiết kế sinh học Harvard, giúp hiểu công nghệ của robot mềm như các bộ truyền động chất lỏng có ma trận đàn hồi với các vật liệu linh hoạt được nhúng như vải, giấy, sợi và các hạt, robot mềm sẽ trở nên phổ biến nhờ trọng lượng nhẹ, giá cả phải chăng và khả năng tùy chỉnh dễ dàng cho một ứng dụng nhất định. 

Một số ứng dụng của Robot mềm

Phòng thí nghiệm thiết kế sinh học Harvard ước tính ngày nay có XNUMX triệu người sống sót sau cơn đột quỵ mãn tính mắc bệnh liệt nửa người ở Mỹ và XNUMX triệu người khác ở các nước phát triển khác trên toàn cầu. Những người sống sót này thường mất khả năng vận động của bàn tay. Robot mềm có thể giúp họ giải quyết thách thức này bằng cách giúp phát triển một thiết bị hỗ trợ và phục hồi tay theo mô-đun, an toàn, di động, có thể tiêu thụ tại nhà. 

Ở Hoa Kỳ, nguy cơ mắc bệnh suy tim trong đời gần bằng 20%. Tận dụng công nghệ đằng sau robot mềm, Phòng thí nghiệm đang phát triển một thiết bị mô phỏng tim để bàn và thiết bị Nén tim Trực tiếp (DCC) sẽ giúp điều trị suy tim. 

Với tất cả các ứng dụng có lợi này và hơn thế nữa, Soft Robotics có thể đóng một vai trò quan trọng trong nỗ lực phục hồi chức năng cho bệnh nhân và cải thiện chất lượng cuộc sống trên toàn thế giới. Do đó, bất kỳ công nghệ nào giúp thúc đẩy sự phát triển của robot mềm đều là một công nghệ tích cực. Chúng ta sẽ thảo luận về một số kỹ thuật sản xuất như vậy ngày hôm nay. 

Công nghệ in 3-D hoặc sản xuất phụ gia trong robot mềm

3D in, còn được gọi là sản xuất bồi đắp, là về việc phát triển các vật thể ba chiều từ một tệp kỹ thuật số. Nó được gọi là sản xuất bồi đắp vì quá trình phát triển vốn có của nó. 

Trong quy trình sản xuất phụ gia, một vật thể được phát triển bằng cách đặt các lớp vật liệu liên tiếp cho đến khi đạt được hình dạng và hình thức cuối cùng của vật thể mong muốn. 

Mỗi lớp này không có gì khác ngoài một mặt cắt ngang mỏng của đối tượng mong muốn. Sản xuất bồi đắp khác với phong cách sản xuất trừ truyền thống, trong đó các bộ phận có hình dạng và kích thước mong muốn được cắt ra từ một khối lớn nguyên liệu nguồn. 

In 3D hoặc sản xuất bồi đắp thường bao gồm mô hình 3D, phần mềm 3D và máy in 3D. Quá trình này đã được ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm tiêu dùng, sản phẩm công nghiệp, sản phẩm nha khoa, chân tay giả, mô hình quy mô kiến ​​trúc và maquette, hóa thạch tái tạo, bản sao của hiện vật cổ, bằng chứng tái tạo trong tâm lý pháp y, đạo cụ phim, v.v. 

Bây giờ, nó đã tìm thấy khả năng sử dụng trong lĩnh vực robot mềm phức tạp hơn. ETH Zurich và một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Hoa Kỳ, Inkbit, đã cùng nhau biến điều đó thành hiện thực. 

Trong khi Inkbit là một công ty con của MIT thì Đại học Khoa học và Công nghệ ETH Zurich được thành lập từ năm 1855, “khi những người sáng lập Thụy Sĩ thời hiện đại tạo ra nó như một trung tâm đổi mới và kiến ​​thức”.

Nhấp vào đây để tìm hiểu tất cả về việc đầu tư vào In 3D/sản xuất bồi đắp.

Công nghệ chi tiết

Sự đột phá

Bước đột phá mà nghiên cứu của ETH Zurich và Inkbit đã đạt được là nó đã mở rộng phạm vi vật liệu có thể được sử dụng trong sản xuất bồi đắp hoặc in 3D. Mặc dù trước đây, công nghệ này chỉ giới hạn ở các loại nhựa lưu hóa nhanh nhưng giờ đây nó đã trở nên phù hợp với các loại nhựa lưu hóa chậm. Có rất nhiều lợi ích của việc nâng cao phạm vi này. 

Lợi ích

• Nhựa xử lý chậm có đặc tính đàn hồi được tăng cường.
• Chúng bền hơn và mạnh mẽ hơn.
• Nhựa xử lý chậm giúp có thể in 3D các bộ phận robot phức tạp và bền hơn.
• Công nghệ tương thích với nhiều loại vật liệu chất lượng cao
• Việc nâng cao phạm vi giúp kết hợp các vật liệu mềm, đàn hồi và cứng dễ dàng hơn.

Và cuối cùng,

• Chúng phù hợp với yêu cầu tạo ra các cấu trúc và bộ phận tinh tế có lỗ sâu theo ý muốn. 

Ứng dụng

Với nhựa xử lý chậm, người ta có thể kết hợp các lợi ích của robot mềm và sản xuất bồi đắp và tạo ra sức mạnh tổng hợp mang lại lợi ích cho nhân loại trong một thời gian rất dài. 

Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đã thành công trong việc tạo ra một bàn tay robot có tất cả các đặc tính sinh lý của con người, chẳng hạn như xương, dây chằng và gân. Mặc dù được làm từ các loại polyme khác nhau nhưng sản phẩm cuối cùng có thể được tạo ra chỉ trong một lần. 

Theo các nhà nghiên cứu, điều này sẽ không thể thực hiện được nếu họ không sử dụng các polyme lưu hóa chậm. Theo Thomas Buchner, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm của giáo sư robot ETH Zurich, Robert Katzschmann và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu:

“Chúng tôi hiện đang sử dụng polyme thiolene đóng rắn chậm. Chúng có đặc tính đàn hồi rất tốt và trở về trạng thái ban đầu nhanh hơn nhiều sau khi uốn so với polyacrylate.”

Việc đưa vào các polyme thiolene đã làm thay đổi cuộc chơi trong việc sản xuất bàn tay theo nguyên lý robot mềm. Vì bàn tay robot mềm mại như bàn tay người thật nên ít có nguy cơ chấn thương hơn và có thể xử lý hàng hóa dễ vỡ tốt hơn. 

Để kết hợp robot mềm và sản xuất bồi đắp trong cùng một quy trình, các nhà nghiên cứu đã phải đưa ra một số sửa đổi đối với công nghệ in 3D. Họ đã thêm một máy quét laser 3D vào quá trình in, có thể kiểm tra ngay từng lớp in xem có những bất thường tiềm ẩn trên bề mặt hay không. 

Các nhà nghiên cứu cũng đưa ra một cơ chế phản hồi để bù đắp cho những bất thường này. Cơ chế này giúp thực hiện những điều chỉnh cần thiết cho một lớp, có tính đến sự không đồng đều của lớp trước đó, nếu có. 

ETH Zurich đã nhận được sự giúp đỡ của Inkbit, công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Hoa Kỳ, để phát triển công nghệ in này. 

Inkbit: Khởi nghiệp công nghệ in ấn

Được thành lập vào năm 2017 bởi Davide M. Marini, Javier Ramos và Wojciech Matusik, Inkbit là một công ty khởi nghiệp Series B có trụ sở tại Medford, Massachusetts, Hoa Kỳ. Mục đích của công ty là tạo ra nền tảng sản xuất bồi đắp thế hệ tiếp theo kết hợp in 3D với thị giác máy. Công ty không ngừng đổi mới và phát triển các giải pháp mới trong lĩnh vực in 3D. Ví dụ, vào giữa tháng XNUMX năm nay, nó đã trình diễn việc chế tạo một bản in các hệ thống và robot đa chức năng phức tạp. 

Một tuần trước đó, công ty đã giới thiệu TEPU 50A, một chất đàn hồi đo độ cứng mềm-trung bình mới. 

Có một số người chơi khác trong không gian mà Inkbit phục vụ. Tất cả họ cùng nhau đang cố gắng thúc đẩy sự tiến bộ trong lĩnh vực chế tạo robot mềm thông qua các kỹ thuật sản xuất bồi đắp mới.

Các công ty có kỹ thuật sản xuất phụ gia biến đổi để giúp phát triển robot mềm

# 1. flashforge

Gần đây, một dụng cụ kẹp mềm mô-đun được in 3D với các dụng cụ kẹp mềm có độ phù hợp cao đã được phát triển. Các ngón tay được cấu tạo từ các bộ truyền động khí nén mềm áp suất dương cùng với siêu vật liệu cơ học. Siêu vật liệu tích hợp cấu trúc phụ trợ mềm và các đường gân đàn hồi. Máy in 3D được sử dụng trong quy trình này là máy in mã nguồn mở, chi phí thấp. mô hình hoá sự lắng đọng hợp nhất Máy in 3D của tập đoàn FlashForge. 

Được thành lập vào năm 2011, Công ty TNHH Công nghệ 3D Chiết Giang Flashforge là một trong những doanh nghiệp sản xuất và R&D vật liệu và thiết bị in 3D chuyên nghiệp đầu tiên tại Trung Quốc. flashforge sản phẩm đi đến gần 100 quốc gia và khu vực trên toàn cầu. 

Nó đã phát triển hơn 600 đại lý thương hiệu tại hơn 50 quốc gia và khu vực trong và ngoài nước. 

FlashForge USA tập trung vào việc làm cho việc in 3D có thể tiếp cận rộng rãi với các tổ chức, kiến ​​trúc sư, kỹ sư, nhà thiết kế, người dùng công nghiệp cũng như thị trường tiêu dùng và thịnh vượng rộng rãi. 

Ước tính Flashforge có doanh thu hơn Mỹ $ 15 triệu, trong khi FlashforgeUSA có hơn Mỹ $ 7 triệu. 

# 2. NinjaTek

Trong số nhiều giải pháp của nó, NinjaTek's Dây tóc máy in 3D Cheetah® được sử dụng để tạo ra những chiếc xương linh hoạt, giống như thật cho bàn tay giả. Thiết kế ngón tay yêu cầu nhúng xương in 3D linh hoạt vào khuôn silicon để tạo ra kết cấu giống như da thật và tăng độ chắc chắn cũng như sức mạnh của ngón tay. Nhóm nghiên cứu chịu trách nhiệm thiết kế và phát triển bàn tay nhận thấy dây tóc Cheetah TPU bán linh hoạt của NinjaTek rất hữu ích trong việc thiết kế bộ phận giả.

NinjaTek là một phần của Fenner Precision Polymers. Nó sản xuất sợi nhựa đặc biệt cho người dùng cuối trong không gian công nghiệp in 3D. Công ty hiện là Công ty của Tập đoàn Michelin. 

Tập đoàn Michelin đã đăng ký doanh thu hơn 28.5 tỷ Euro vào năm 2022, so với doanh thu gần 24 tỷ Euro vào năm 2021. Thu nhập hoạt động của công ty tính theo phần trăm doanh thu là gần 12% vào năm 2022. 

# 3. hư cấu

Một công ty quan trọng khác trong lĩnh vực này là Fictiv, một công ty cung cấp đầy đủ các sản phẩm Dịch vụ in 3D và thể hiện cam kết mạnh mẽ trong việc thúc đẩy người máy mềm. Chuyên môn của họ rất được săn đón, với các công ty công nghệ y tế lớn như Medtronic sử dụng các dịch vụ đổi mới của Fictiv.

Fictiv tin rằng robot mềm có khả năng thích ứng và linh hoạt hơn. Nó có thể “hiểu rõ hơn các thiết kế tay cầm khác nhau và điều chỉnh chuyển động của nó cho phù hợp”. Nó cũng cho rằng các robot mềm được “kích hoạt bằng khí nén hơn để nắm bắt các vật thể, điều này cho phép dễ dàng bổ sung khả năng hút”. 

Vào tháng 2022 năm XNUMX, Tiểu thuyết công bố kết thúc vòng cấp vốn Series E trị giá 100 triệu USD. Vòng này được dẫn dắt bởi Activate Capital, bao gồm các nhà đầu tư mới như Angeleno Group, Cross Creek và The Westly Group. Các nhà đầu tư tổ chức khác của Fictiv bao gồm Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners và Standard Investments. Khoản tài trợ Series E đã nâng tổng vốn đầu tư vào Fictiv lên 192 triệu USD kể từ khi bắt đầu hoạt động vào năm 2013. 

Công nghệ in 3-D hoặc sản xuất phụ gia trong robot mềm: Tương lai sẽ ra sao

In 3D hoặc sản xuất bồi đắp sẽ trở thành công nghệ chủ chốt trong chế tạo robot mềm vì chất lượng cao và khả năng in nhiều vật liệu cùng một lúc. 

Robot mềm được làm từ chất lỏng, gel, polyme chức năng và các vật liệu dễ biến dạng khác, giúp giải pháp robot vẫn hoạt động ngay cả khi bị kéo căng và ép. Điều quan trọng là những vật liệu này tương thích với công nghệ in 3D hoặc sản xuất bồi đắp hiện tại, không chỉ nhanh hơn mà còn đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên, để có thể thích ứng trên toàn cầu, họ sẽ phải tăng cường khả năng mở rộng. 

Một ưu điểm khác mà các công nghệ sản xuất bồi đắp mới có được là tính đặc hiệu cao và khả năng in các hình dạng phức tạp nhất. 

Các kỹ thuật sản xuất bồi đắp mới cũng rất hữu ích khi đặt các nguồn điện, vốn là một phần không thể thiếu của hầu hết các robot mềm mới được phát triển. Hơn nữa, các kỹ thuật in 3D mới giúp đặt chúng một cách thông minh bên trong các cấu trúc robot mềm.

Mặt khác, các vật liệu mềm có thể in 3D hiện có có xu hướng biến dạng đáng kể dưới các lực thường được sử dụng trong quá trình xây dựng do trọng lượng của chính chúng, đòi hỏi phải có vật liệu hỗ trợ. Thách thức này nêu bật một lĩnh vực đã chín muồi để phát triển hơn nữa. Để giải quyết vấn đề này, một trong những giải pháp đã xuất hiện là hydrogel nhớt đàn hồi, có thể chịu được áp suất từ ​​Kilopascal đến Megapascal. 

Gần đây, một nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển thành công một kỹ thuật đa hướng có thể in các vật liệu cực mềm như chất lỏng có thể được giữ cố định thông qua quá trình trùng hợp ở giai đoạn sau. 

Một Nhóm nghiên cứu, bao gồm các sinh viên của Đại học Công nghệ Delft, đã giới thiệu một tính năng thú vị khác. Nó đã giúp phát triển các công nghệ in 3D có thể đúc silicon thành vỏ in 3D. Kỹ thuật này có chi phí thấp và có thể giúp robot mềm đạt được những tầm cao mới trong tương lai. 

Với nhiều nghiên cứu và nghiên cứu khoa học được thực hiện về chủ đề này, sản xuất bồi đắp sẽ giúp robot mềm trở nên siêu phù hợp trong lĩnh vực khoa học y tế và sức khỏe. Nó đã giúp phát triển găng tay in 3D bằng robot mềm, hữu ích cho những người bị hạn chế chức năng bàn tay, liệt cục bộ và viêm khớp. 

Các nhà khoa học cũng đã chế tạo bàn tay giả và robot mềm in 3D với bốn chân có thể đi trên các bề mặt không đồng nhất và gồ ghề như sỏi và cát. 

Ngoài mục đích sử dụng trong y tế và phục hồi sức khỏe, những robot mềm như vậy còn có thể hỗ trợ các hoạt động cứu hộ hoặc được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến từ các môi trường nguy hiểm.

Tóm lại, cơ hội mà các kỹ thuật sản xuất bồi đắp mới mang lại trong việc thúc đẩy sự phát triển của robot mềm là rất lớn. Chỉ có điều nó phải ra khỏi phòng thí nghiệm để sử dụng trên quy mô lớn vì lợi ích chung. 

Bấm vào đây để xem mười cổ phiếu sản xuất bồi đắp và in 3D hàng đầu.