Ученые разработали гибкую, но маневренную альтернативу жестким манипуляторам с ограниченным радиусом действия, которые устанавливаются в современных роботах. Используя 3D-принтер, нетрадиционные материалы и новый метод изготовления, они создали роботизированную руку, которая имитирует структуру скелета человека, обеспечивая уровень ловкости, который может сравниться с нашим собственным.
Команда состоит из инженеров Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе и компании Inkbit, подразделения MIT, занимающегося аддитивным производством. Вместе они пришли к выводу, что роботизированные манипуляторы сейчас выполняют весьма сложные задачи, но редко приближаются к практической гибкости, которую обеспечивают человеческие руки. Современные жесткие клешнеподобные манипуляторы с трудом поднимают предметы неправильной формы, а мягкие щупальцеподобные захваты решают эту проблему, но они непрактичны для большинства повседневных задач.
«Цель состоит в том, чтобы создать активные системы с высоким пространственным разрешением и сложными материальными структурами, варьирующимися от эластичных до жестких», — сообщила инженеры в статье для журнала Nature. «Традиционные производственные процессы не позволяют изготавливать такие сложные системы».
Решением стала совершенно новая технология 3D-печати, позволяющая изготавливать гибкие компоненты робототехники. Этот метод называется "струйная печать с визуальным контролем" (vision-controlled jetting, или VCJ). В то время как традиционная 3D-печать выравнивает неровности после каждого напечатанного слоя, эта стратегия, называемая механической планаризацией, мешает инженерам печатать с более мягкими материалами. Это объясняет, почему сегодняшние 3D-печатные роботы, как правило, изготавливаются из жестких, быстротвердеющих полиакрилатов.
Схема манипулятора (слева) и компьютерная графика (справа) во время процесса ручной печати VCJ. Фото: Buchner TJK
Вместо того, чтобы счищать неровности поверхности, VCJ использует 3D-лазерный сканер, который обнаруживает и компенсирует неровности во время изготовления. Каждый раз, когда сканер обнаруживает неровное место, он рассчитывает, какую корректировку можно внести в следующий слой, чтобы заполнить это место. Результатом является система производства, которая компенсирует собственные недостатки с «высокой точностью», по словам соучредителя Inkbit Войцеха Матусика. В сочетании с эластичными, медленно отверждающимися тиоленовыми полимерами это позволяет получить изделие, которое не только можно сгибать, но и относительно быстро возвращается в исходное состояние после манипуляций.
Эта система позволила команде создать роботизированную руку, имитирующую структуру скелета и соединительные ткани человека. На руке имеется 19 «сухожилий», обеспечивающих подвижность запястья и пальцев. Сенсорные панели и датчики давления помогают руке «чувствовать» то, к чему она прикасается, и хватать предметы с соответствующей силой хвата.
Команда не собирается останавливаться на достигнутом. Используя VCJ, они также создали насос в форме сердца и робота, который передвигается на шести ногах и напоминает собаку.
«Мы ожидаем, что VCJ откроет новые возможности для быстрого и многократного создания сложных объектов или машин, которые ранее было невозможно производить», — пишут инженеры. «Наша технология изготовления произвольной формы расширяет пространство для проектирования, доступное инженерам и ученым, так что мы можем быстро создавать гибридные мягко-жесткие конструкции, системы и роботов в масштабе от миллиметра до дециметра».