Даже самые передовые роботы всё ещё неспособны перемещаться и двигать конечностями с той же плавностью и грацией, что и люди. Даже те, которые могут эффектно бегать, прыгать или танцевать, отличаются механическими движениями. А всё потому, что у них внутри нет человеческого комплекта костей.
Кроме того, у роботов вместо эластичных связок — искусственные соединения из углеродного волокна и металлов. Роберт Кацшманн, профессор робототехники, объяснил, что обычно созданные инженерами узлы и механизмы придают роботу способность удерживать предметы и принимать предназначенные позы, но лишь так, как мы видим: резким и скованным образом.
Над проблематикой задумались в Швейцарской высшей технической школе Цюриха (ETHZ), и вместе с ними представители американского стартапа Inkbit. И придумали способ трёхмерной печати, чтобы создать первую в мире роботизированную руку с человекоподобным внутренним строением, то есть с искусственными костями, связками и сухожилиями, похожими на человеческие. Роборуку напечатали совершенно новым методом нанесения, который назвали «струйной обработкой с визуальным контролем» (vision-controlled jetting, VCJ).
Пока что большинство напечатанных на 3D-принтере роботов изготавливают из так называемых быстроотверждаемых полиакрилатов. Такие полимеры зарекомендовали себя как быстро затвердевающие в процессе печати и долговечные. Но при этом отличаются неровностями за счёт послойного нанесения. Вот почему поверхность созданных на распространённых 3D-принтерах деталей затем приходится сглаживать механическим путём. И вообще слоистость определяет степень мягкости и типы пригодных для трёхмерной печати материалов. И это ещё одна причина, почему созданные на принтерах роботы обычно имеют ограничения по эластичности, форме и размерам.
Если дальше перечислять недостатки распространённых повсеместно принтеров, то из-за скорости отверждения полимеров у производителей не остаётся времени влиять на слои, как того хотелось бы. В результате приходится разделять изготовление компонентов того или иного робота на этапы, зависящие не от замысла, а от материалов. И после печати каждой детали приходится ещё тщательно контролировать качество, что лишь повышает трудоёмкость.
Из-за всего перечисленного метод VCJ приобретает особое значение. Для него подходят мягкие, медленно затвердевающие тиоленовые полимеры. Кацшманн отметил их отличную эластичность: при сгибании они принимают исходное положение куда быстрее полиакрилатов.
В системе печати VCJ кроме 3D-принтера необходим также трёхмерный лазерный сканер. Он даёт визуальную оценку гладкости каждого нанесённого слоя по мере печати.
Визуальный контроль превращает печать в полностью бесконтактную, позволяя наносить более широкий спектр пригодных полимеров. Мы, например, печатали с помощью полимеров на основе тиола, потому что это позволило нам создать структуры, устойчивые к ультрафиолету и влажности
— Роберт Кацшманн, профессор робототехники ETHZ, соавтор изобретения.
После сканирования не нужна механическая планаризация, то есть выравнивание, нанесённого слоя. Вместо этого последующий слой компенсирует все неровности предыдущего. Войцех Матусик, один из авторов исследования и профессор компьютерных наук Массачусетского технологического института, объяснил, что механизм обратной связи компенсирует неровности при печати, рассчитывая корректировки материала сразу же и с предельной точностью.
Более того, изобретатели утверждают, что их управляемая система с замкнутым контуром позволяет напечатать для робота всё и сразу. Кацшманн подчеркнул, что упомянутой роботизированной руке после печати сборка была не нужна. Подход существенно ускоряет проектирование, так как можно перейти сразу от замысла к работающему качественному прототипу, избегая затрат на промежуточные оснастку и сборку.
Благодаря технологии VCJ исследователи с успехом напечатали роборуку, структура которой похожа на строение человеческой руки. Устройство оснащено сенсорными панелями и датчиками давления, в нём 19 «сухожилий», позволяющих двигать запястьем и пальцами. Рука «осязает», захватывает предметы, а пальцы при необходимости замирают после прикосновения. Исследователи действовали прямо по образу и подобию, то есть применили данные МРТ настоящей руки для конструирования.
Роборука — лишь образец успешной технологии. В дополнение к ней её создатели также напечатали роботизированное сердце, шестиногого робота и метаматериал-поглотитель вибраций. Исследователи отметили, что всё это функционирует как гибридные мягко-жёсткие системы, то есть роботы, сочетающие в себе материалы обоих типов. Все они задуманы для превосходства и над исключительно жёсткими, и над полностью мягкими роботами с точки зрения гибкости и для решения свойственных прежним моделям проблем.
Что касается типичных вполне мягких роботов: когда их габариты разняться от миллиметров до сантиметров, ими легко управлять и приводить в движение. Но мягкие роботы из гибких материалов, например эластомеров, не отличаются чёткой геометрией и прочностью, особенно по мере увеличения размеров.
Итак, технология VCJ обладает потенциалом для создания масштабируемых гибридных мягко-жёстких роботов. От лица коллектива инженеров Кацшманн заявил, что VCJ в конечном итоге заменит все другие методы контактной струйной печати. Причём не только роботов: с VCJ также можно начать производство медицинских имплантатов и изделий для прочих отраслей. Высокое разрешение, различные свойства используемых материалов и длительный срок службы делают 3D-печать с помощью системы VCJ очень привлекательными и для учёных, и для коммерческого применения.
