Chế tạo chân, tay giả và robot bằng in 3D đa vật liệu

Bàn tay người giả in bằng công nghệ 3D đa vật liệu.

Mặc dù lĩnh vực robotic có nhiều tiến bộ đáng kể trong vài thập kỷ qua, nhưng còn tồn tại rất nhiều vấn đề để phát triển. Ví dụ, robot chưa thực hiện được các nhiệm vụ phức tạp hoặc tinh vi mà con người dễ dàng thực hiện. Kỹ thuật robot không thể mô phỏng được những tính năng phức tạp và liên kết phối hợp của các hệ thống sinh học, như khả năng phức tạp của con người khi nhận biết môi trường thông qua xúc giác và khứu giác.

Cảm biến nội hàm và cảm biến tích hợp chặt chẽ, chuyển động và thuật toán máy tính tích hợp trong các cấu trúc 3D có thể cho phép xuất hiện một thế hệ mới các hệ thống thực sự thông minh và phức tạp, robot có sự khéo léo giống như con người, kỹ năng vận động và cơ năng vật lý được thực hiện dựa trên các thông tin phản hồi, được cung cấp bởi các thụ thể (các cảm biến sinh học) chuyên biệt trong cơ thể.

Ngành công nghệ robot cố gắng mô phỏng các khả năng này thông qua những e-Skins diện tích lớn, các cơ nhân tạo và các thiết bị điện toán... được cài đặt trên bề mặt bên ngoài của cơ thể robot hoặc bên trong cơ thể cứng của máy móc, bảo vệ thiết bị không bị hỏng hóc trong quá trình hoạt động.

Các cảm biến cảm ứng và da điện tử khác nhau hiện đang được các nhà nghiên cứu phát triển cho robot hiện nay, trong đó có những mô phỏng bắt chước một số tính năng da người, như cảm nhận đầu ngón tay và tăng độ phân giải pixel xúc giác (taxel), được phát triển trên bề mặt mềm và dẻo, cho phép gắn tích hợp trên bề mặt bên ngoài của cơ thể robot. Nhưng công nghệ này lại phải đối mặt với thách thức hao mòn trong quá trình sử dụng thường xuyên.

Trong một báo cáo nghiên cứu gần đây, được đăng tải trên tạp chí Hệ thống thông minh tiên tiến (Advanced Intelligent Systems), GS Ravinder Dahiya và nhóm nghiên cứu tại Đại học Glasgow giới thiệu một phương pháp mới nhằm giải quyết các vấn đề còn tồn tại bằng giải pháp nhúng các cảm biến cảm ứng vào các đốt ngón (tay, chân) cử động (phalang) tầm xa của bàn tay robot có độ tin cậy, ổn định, dễ dàng với giá thành hạ.

Bàn tay robot các nhà nghiên cứu phát triển chế tạo bằng công nghệ in 3D, hệ thống truyền động được gói gọn trong phần giữa của lòng bàn tay, liên kết với các cảm biến áp suất điện dung và mạch dọc, được in 3D và nhúng trong các (khớp chuyển động) phalang xa của ngón tay.

Kết quả này có được bằng phương pháp cải tiến hợp nhất hệ thống máy in 3D mô hình lắng kết hợp với cơ chế ép đùn, in đồng thời các polyme cấu trúc và mực dẫn điện. Giải pháp này cho phép in các tay chân giả có chức năng tương tự tay, chân thông thường và các robot với những cảm biến nhúng trên các đầu ngón tay, ngón chân giả phát hiện áp lực.

Tay in 3D với cảm biến xúc giác bên trong, a) Thiết kế CAD bàn tay với phalanx (khớp) thông minh gắn cảm biến cảm ứng điện dung mềm và mạch đọc nhúng, b) Thiết kế CAD của cấu trúc bên trong phalanx.

GS Dahiya, Giám đốc Trung tâm thiết kế Hệ thống điện tử và lãnh đạo của nhóm Công nghệ điện tử và cảm biến (BEST) Bendable cho biết, những yếu tố cảm biến tích hợp nhúng trong các cấu trúc in 3D có thể mở đường cho một thế hệ  hệ thống vật liệu thực sự thông minh mới trong tương lai.

Trong nghiên cứu, sự kết hợp của ba vật liệu dẫn điện, cụ thể là sợi carbon tổng hợp polylactic axit, keo dán bạc và mực than chì được chế tạo tại phòng thí nghiệm, được thử nghiệm làm điện cực cho cảm biến điện dung cùng với hai vật liệu điện môi: Một sợi TPU linh hoạt và keo dán dân dụng cao su silicon hai thành phần.

Cảm biến có hiệu suất cao nhất được chế từ bột bạc và cao su mềm, cho độ nhạy 0,002115 kPa-1 trong dải phạm vi áp suất 0kPa-50kPa.

Bàn tay robot với cảm biến áp suất mềm nhúng, chế tạo bằng phương pháp in 3D là một cách tiếp cận rất sáng tạo để có được các cấu trúc thông minh phức tạp. Việc đơn giản quy trình chế tạo cho thấy một phương pháp sản xuất hiệu quả các hệ thống cảm biến xúc giác với chi phí thấp, hơn hẳn các kỹ thuật chế tạo hiện nay, đòi hỏi phải có các thiết bị chuyên dụng, đắt tiền và phức tạp.

Nếu so sánh với các bàn tay robot hoặc chân tay giả hiện đại ngày nay, phương pháp chế tạo được trình bày cho phép tạo ra các bàn tay, chân giả hoặc robot mạnh mẽ, giá cả hợp lý với nhiều chức năng hơn. Hơn nữa, phương pháp in đa vật liệu 3D mở ra một triển vọng mới, có thể chế tạo robot với các cảm biến nhúng theo phương pháp tiếp cận hoàn toàn mới, cho phép sử dụng hiệu quả không gian 3D cho thiết kế và chế tạo trong các thành phần nhúng trong lĩnh vực robotic.