No pensamos dos veces antes de usar nuestras manos a lo largo del día para tareas que aún frustran a los robots sofisticados: servir café sin derramarlo cuando estamos medio despiertos, doblar la ropa sin rasgar telas delicadas.
La complejidad de nuestras manos es en parte de agradecer. Son maravillas de la ingeniería biológica: el esqueleto duro mantiene su forma e integridad y permite que los dedos soporten peso. Los tejidos blandos, como músculos y ligamentos, les confieren destreza. Gracias a la evolución, todos estos “biomateriales” se autoensamblan.
Recrearlos artificialmente es otra cuestión.
Los científicos han intentado utilizar la fabricación aditiva, mejor conocida como impresión 3D—para recrear estructuras complejas desde las manos hasta los corazones. Pero la tecnología tropieza al integrar múltiples materiales en un solo proceso de impresión. La impresión 3D de una mano robótica, por ejemplo, requiere varias impresoras (una para hacer el esqueleto y otra para los materiales de tejido blando) y el ensamblaje de las piezas. Estos múltiples pasos aumentan el tiempo y la complejidad de fabricación.
Los científicos llevan mucho tiempo intentando combinar diferentes materiales en un único proceso de impresión 3D. Un equipo del laboratorio de robótica blanda de ETH Zurich ha encontrado una manera.
El equipo equipó una impresora de inyección de tinta 3D, que se basa en la misma tecnología que las impresoras de oficina normales, con visión artificial, lo que le permite adaptarse rápidamente a diferentes materiales. El enfoque, llamado chorro controlado por visión, recopila continuamente información sobre la forma de una estructura durante la impresión para ajustar cómo se imprime la siguiente capa, independientemente del tipo de material.
En una prueba, el equipo imprimió en 3D una mano sintética de una sola vez. Completa con esqueleto, ligamentos y tendones, la mano puede agarrar diferentes objetos cuando "siente" presión en la punta de los dedos.
También imprimieron en 3D una estructura similar a un corazón humano, con cámaras, válvulas unidireccionales y la capacidad de bombear líquido a una velocidad de aproximadamente el 40 por ciento del corazón de un ser humano adulto.
El estudio es "muy impresionante", dijo el Dr. Yong Lin Kong de la Universidad de Utah, que no participó en el trabajo pero escribió un comentario adjunto, Dijo Naturaleza. La impresión por inyección de tinta 3D ya es una tecnología madura, añadió, pero este estudio muestra que la visión artificial permite ampliar las capacidades de la tecnología a estructuras más complejas y múltiples materiales.
El problema de la impresión de inyección de tinta 3D
Recrear una estructura utilizando métodos convencionales es tedioso y propenso a errores. Los ingenieros moldean un molde para darle la forma deseada (por ejemplo, el esqueleto de una mano) y luego combinan la estructura inicial con otros materiales.
Es un proceso abrumador que requiere una calibración cuidadosa. Al igual que al instalar la puerta de un gabinete, cualquier error la deja torcida. Para algo tan complejo como una mano de robot, los resultados pueden ser más bien Frankenstein.
Los métodos tradicionales también dificultan la incorporación de materiales con diferentes propiedades y tienden a carecer de los detalles finos necesarios en algo tan complejo como una mano sintética. Todas estas limitaciones limitan lo que puede hacer una mano robótica y otras estructuras funcionales.
Luego apareció la impresión por inyección de tinta 3D. Las versiones comunes de estas impresoras exprimen un material de resina líquida a través de cientos de miles de boquillas controladas individualmente, como una impresora de oficina que imprime una fotografía en alta resolución. Una vez que se imprime una capa, una luz ultravioleta "fija" la resina, convirtiéndola de líquida a sólida. Luego, la impresora se pone a trabajar en la siguiente capa. De esta forma, la impresora construye un objeto 3D, capa por capa, a nivel microscópico.
Aunque increíblemente rápida y precisa, la tecnología tiene sus problemas. No es muy bueno para unir diferentes materiales, por ejemplo. Para imprimir en 3D un robot funcional, los ingenieros deben imprimir piezas con varias impresoras y luego ensamblarlas, o pueden imprimir una estructura inicial, moldear alrededor de la pieza y agregar tipos adicionales de materiales con las propiedades deseadas.
Un principal inconveniente es que el grosor de cada capa no siempre es el mismo. Las diferencias en la velocidad de la “tinta”, la interferencia entre las boquillas y la contracción durante el proceso de “fraguado” pueden causar pequeñas diferencias. Pero estas inconsistencias se acumulan con más capas, lo que resulta en objetos que funcionan mal y fallas en la impresión.
Los ingenieros abordan este problema añadiendo una cuchilla o un rodillo. Al igual que aplanar el hormigón recién colocado durante las obras viales, este paso nivela cada capa antes de que comience la siguiente. La solución, lamentablemente, viene acompañada de otros dolores de cabeza. Debido a que los rodillos solo son compatibles con algunos materiales (otros ensucian el raspador), limitan la variedad de materiales que se pueden usar.
¿Qué pasa si no necesitamos este paso en absoluto?
Eyes on the Prize
La solución del equipo es la visión artificial. En lugar de eliminar material sobrante, escanear cada capa mientras se imprime ayuda al sistema a detectar y compensar pequeños errores en tiempo real.
El sistema de visión artificial utiliza cuatro cámaras y dos láseres para escanear toda la superficie de impresión con resolución microscópica.
Este proceso ayuda a la impresora a autocorregirse, explicó el equipo. Al comprender dónde hay demasiado o muy poco material, la impresora puede cambiar la cantidad de tinta depositada en la siguiente capa, esencialmente llenando los "baches" anteriores. El resultado es un potente sistema de impresión 3D en el que no es necesario raspar material adicional.
Esta no es la primera vez que se utiliza la visión artificial en impresoras 3D. Pero el nuevo sistema puede escanear 660 veces más rápido que los anteriores y puede analizar la forma física de la estructura en crecimiento en menos de un segundo, escribió Kong. Esto permite que la impresora 3D acceda a una biblioteca mucho más grande de materiales, incluidas sustancias que soportan estructuras complejas durante la impresión pero que se eliminan más tarde.
¿Traducción? El sistema puede imprimir una nueva generación de robots bioinspirados mucho más rápido que cualquier tecnología anterior.
Como prueba, el equipo imprimió una mano sintética con dos tipos de materiales: un material rígido que soporta carga para actuar como esqueleto y un material suave y flexible para fabricar tendones y ligamentos. Imprimieron canales en toda la mano para controlar su movimiento con presión de aire y al mismo tiempo integraron una membrana para sentir el tacto, esencialmente, las yemas de los dedos.
Conectaron la mano a componentes eléctricos externos y la integraron en un pequeño robot andante. Gracias a sus dedos sensibles a la presión, podía recoger diferentes objetos: un bolígrafo o una botella de agua de plástico vacía.
El sistema también imprimió una estructura de corazón similar a la humana con múltiples cámaras. Al presurizar el corazón sintético, bombeaba fluidos como su homólogo biológico.
Todo se imprimió de una vez.
Siguientes Pasos
Los resultados son fascinantes porque se sienten como un gran avance para una tecnología que ya se encuentra en un estado maduro, Kong dijo. Aunque está disponible comercialmente desde hace décadas, con solo agregar visión artificial se le da nueva vida a la tecnología.
"Es emocionante comprobar que estos diversos ejemplos se imprimieron utilizando sólo unos pocos materiales", añadió. El equipo tiene como objetivo ampliar los materiales con los que pueden imprimir y agregar directamente sensores electrónicos para detectar y mover durante la impresión. El sistema también podría incorporar otros métodos de fabricación, por ejemplo, rociar una capa de moléculas biológicamente activas sobre la superficie de las manos.
Robert Katzschmann, profesor de ETH Zurich y autor del nuevo artículo, se muestra optimista sobre el uso más amplio del sistema. "Se podría pensar en implantes médicos... [o] utilizarlos para crear prototipos en ingeniería de tejidos", dijo. "La tecnología en sí no hará más que crecer".
Haber de imagen: ETH Zurich/Thomas Buchner
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- Fuente: https://singularityhub.com/2023/11/24/scientists-3d-print-a-complex-robotic-hand-with-bones-tendons-and-ligaments/
