一次性打印工作肌腱的机械手

多材料3D打印方法可一次性生产功能性设备


THOMAS BUCHNER/ETH ZURICH

现在，一只带韧带和肌腱的骨骼机械手可以一次性进行3D打印。这一令人毛骨悚然的成就是通过一种新的增材制造方法实现的，这种方法可以同时以高分辨率打印刚性和弹性材料。

这项新工作是瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员与马萨诸塞州梅德福市麻省理工学院名为Inkbit的子公司合作的结果。该小组设计了一种新的3D喷墨打印技术，能够使用比以前更广泛的材料。

在《自然》杂志的一篇新论文中，该研究小组首次展示了该技术可用于在一次打印作业中打印由多种材料制成的复杂移动设备。其中包括一个仿生机械手，一个带有抓取器的六腿机器人，以及一个以心脏为模型的泵。

苏黎世联邦理工学院的博士生Thomas Buchner说：“真正让我们兴奋的是，这项技术首次允许我们打印出可以在打印床上工作的完整功能系统。”他是描述这项工作的论文的第一作者。

这项新技术的工作原理与办公室里常见的喷墨打印机类似。不过，这台打印机喷出来的不是彩色墨水，而是暴露在紫外线（UV）光下会硬化的树脂，而不是仅仅打印一张纸，而是一层一层地构建3D物体。它还能够以极高的分辨率打印，体素（相当于3D像素）只有几微米宽。
 

3D喷墨打印机并不新鲜，但他们可以使用的材料通常是有限的。这是因为每一层都不可避免地有缺陷，处理这个问题的标准方法一直是把它们刮掉或滚平。这意味着软或缓慢固化的材料不能使用，因为他们会得到涂抹或压扁。

Inkbit多年来一直致力于解决这个问题。该公司制造了一台打印机，该打印机具有在多个喷墨单元、紫外线固化单元和扫描单元下方上下移动的平台。在沉积并固化层之后，扫描仪创建打印表面的深度图，然后将其与3D模型进行比较，以找出如何调整喷墨单元的沉积速率，以消除任何不规则性。前一层树脂过多的区域在下一层树脂过少，反之亦然。

领导这项研究的苏黎世联邦理工学院机器人学教授Robert Katzschmann说，这意味着打印机在材料沉积后不需要与材料接触。“这带来了各种好处，因为现在你可以使用聚合时间更长、硬化时间更长的化学物质，这为更有用的材料开辟了一个全新的空间。

“实际上，我们现在可以一次创建一个结构或机器人。这可能需要在这里或那里添加一个电机，但结构的实际复杂性就在那里。”--罗伯特·卡茨曼

此前，Inkbit一直在使用扫描方法，一次只能捕获2厘米宽的区域的图像。在将所有图像拼接在一起并进行分析之前，必须多次重复此过程，这大大缩短了制造时间。这项新技术使用了一种更快的激光扫描系统，该设备现在的打印速度是以前的660倍。此外，该团队现在已经证明，他们可以使用称为硫醇烯的弹性聚合物进行打印。这些材料固化缓慢，但它们比丙烯酸酯（通常用于商用3D喷墨打印机的橡胶状材料）更有弹性，更耐用。

为了展示新的3D打印工艺的潜力，研究人员打印了一只机械手。该设备的特点是以人手的MRI扫描为模型的刚性骨骼和弹性肌腱，这些肌腱可以连接到伺服机构，使手指向手掌方向弯曲。每个指尖都有一层薄膜，薄膜后面有一个小空腔，与印在手指结构中的长管相连。当手指接触到什么东西时，空腔被压缩，导致管道内的压力上升。这是由管子末端的压力传感器检测到的，该信号用于告诉手指在达到一定压力后停止卷曲。

研究人员用手抓握各种物体，包括钢笔和水瓶，并用拇指触摸指尖。至关重要的是，除了伺服系统和压力传感器外，机械手的所有功能部件都是在一次打印作业中生产的。Katzschmann说：“我们认为我们的工作新颖之处在于，我们现在可以一次创建一个结构或机器人。”。“这可能需要在这里或那里添加一个电机，但结构的实际复杂性就在那里。”

研究人员还创造了一个气动六条腿的机器人，该机器人有一个能够来回行走并拿起一盒Tic-Tacs的夹具，还有一个模仿人体心脏的泵，具有单向阀和内部压力传感器，能够每分钟泵送2.3升流体。

Katzschmann说，未来的工作将着眼于进一步扩大打印机可以使用的材料的数量。它们仅限于可以使用紫外线固化的材料，并且粘性不太大，无法在喷墨打印机中工作。但这些可能包括硬环氧树脂、适用于组织工程的水凝胶，甚至可以将电子电路打印到设备中的导电聚合物。