骨、リガメント(靱帯)、腱をもつ3Dプリントロボット

November, 21, 2023, Zurich--研究者たちは、新しいレーザスキャニング技術を用いて、異なるポリマで作られた骨、靭帯、腱をロボットハンドでプリントすることに初めて成功した。

3Dプリンティングは急速に進歩しており、使用できる材料の範囲は大幅に拡大している。この技術は、以前は速硬化プラスチックに限定されていたが、現在では硬化の遅いプラスチックにも適している。これらは、弾性特性が向上し、より耐久性と堅牢性が高いため、決定的な利点がある。

このようなポリマの使用は、ETH-Zurichの研究者と米国の新興企業によって開発された新技術によって可能になった。その結果、研究者は、さまざまな高品質材料から、複雑で耐久性の高いロボットを一気に3Dプリントできるようになった。この新技術により、軟質、弾性、硬質の材料を簡単に組み合わせることができる。研究者は、これを使用して、必要に応じてキャビティのある繊細な構造や部品を作ることもできる。

元の状態に戻る素材
チューリッヒ工科大学(ETH Zurich)の研究者は、この新技術を用いて、異なるポリマで作られた骨、靭帯、腱を一度にプリントするロボットハンドのプリントに初めて成功した。「これまで3Dプリンティングで使用してきた速硬化性ポリアクリル酸塩では、この手を作ることはできなかった。われわれは現在、硬化の遅いチオレンポリマを使用している。これらは非常に優れた弾性特性を持ち、ポリアクリル酸エスよりも曲げた後、非常に速く元の状態に戻る。このため、チオレンポリマはロボットハンドの弾性靭帯の製造に理想的である」と、ETH-Zurichのロボット工学教授Robert Katzschmannグループの博士課程の学生、この研究の筆頭著者Thomas Buchnerは説明している。

さらに、チオレンの剛性は、ソフトロボットの要件を満たすために非常にうまく微調整できる。「われわれが開発した手のような柔らかい素材のロボットは、従来の金属製ロボットよりも優れている。柔らかいので、人間と一緒に作業しても怪我のリスクが少なく、壊れやすい商品を扱うのに適している」とKatzschmannは説明している。

スクレイピングではなくスキャン
3Dプリンタは通常、物体を層ごとに作製する:ノズルが、各ポイントに粘性のある形で特定の材料を堆積させる。その後、UVランプが各層を即座に硬化させる。従来法では、各硬化ステップの後に表面の凹凸を削り取る装置が必要だった。これは、速硬化性ポリアクリレートでのみ機能する。チオレンやエポキシなどの硬化の遅いポリマは、スクレーパーをガム状にする。

硬化の遅いポリマの使用に対応するため、研究チームは、プリントされた各層に表面の凹凸がないか即座にチェックする3Dレーザスキャナを追加することで、3Dプリンティングをさらに発展させた。「フィードバックメカニズムは、プリントする材料の量に必要な調整をリアルタイムかつピンポイントの精度で計算することで、次のレイヤーをプリントする際にこれらの不規則性を補正する」と、米国のマサチューセッツ工科大学(MIT)教授、この研究の共著者、Wojciech Matusikは説明している。つまり、新しい技術は、不均一なレイヤを滑らかにする代わりに、次のレイヤを印刷するときに凹凸を考慮するだけである。

MITのスピンオフ企業であるInkbitは、新しいプリンティング技術の開発を担当した。ETH-Zurichの研究者は、複数のロボットアプリケーションを開発し、硬化の遅いポリマで使用するためのプリンティング技術の最適化を支援した。スイスと米国の研究者らは、この技術とそのサンプルアプリケーションを共同でNature誌に発表した。

ETH-Zurichでは、Katzschmannのグループは、この技術を使用してさらなる可能性を探求し、一層洗練された構造を設計し、追加のアプリケーションを開発する予定である。Inkbitは、この新技術を使用して、顧客に3Dプリントサービスを提供し、新しいプリンタを販売することを計画している。