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3D-Druck einer Roboterhand mit Knochen, Bändern und Sehnen
Wissenschaft

3D-Druck einer Roboterhand mit Knochen, Bändern und Sehnen

News
Wissenschaft
Sarah Bourdely
Édition
2023/11
DOI:
https://doi.org/10.4414/shw-d.2023.1320761353
Affiliations
Junior Redaktorin, Schweizerische Ärztezeitung

Publié le 16.11.2023

Eine komplette Roboterhand mit Knochen, Bändern und Sehnen drucken? Eine neue Laserscanning-Technik macht es möglich. Forschende der ETH haben ein Druckverfahren entwickelt, mit dem sie Kunststoffe mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften in einem einzigen Schritt dreidimensional drucken können. Damit eröffnen sie der Soft-Robotik gänzlich neue Möglichkeiten.
Die Palette an Materialien, die für den 3D-Druck verwendet werden können, hat Zuwachs bekommen. Während die Technologie bisher auf schnell härtende Kunststoffe beschränkt war, können dank einer Weiterentwicklung neu auch langsam härtende Kunststoffe verwendet werden. Und diese haben entscheidende Vorteile: Sie haben bessere elastische Eigenschaften, sind dauerhafter und robuster.

Materialien, die in den Ausgangszustand zurückspringen

Dank einer neuen Technologie gelang es Forschenden der ETH Zürich erstmals, eine Roboterhand mit Knochen, Bändern und Sehnen aus verschiedenen Polymeren in einem Durchgang zu drucken. «Mit den schnell härtenden Polyacrylaten, die wir bisher beim 3D-Druck verwendeten, hätten wir diese Hand nicht herstellen können», erklärt Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH-Robotik-Professor Robert Katzschmann und Erstautor der Studie. «Wir verwenden neu langsam härtende Thiolen-Polymere. Diese haben sehr gute elastische Eigenschaften und springen nach dem Verbiegen viel schneller in den Ausgangszustand zurück als Polyacrylate.» Daher eigne sich die Thiolen-Polymere hervorragend, um die elastischen Bänder der Roboterhand herzustellen.
Ausserdem lasse sich die Steifigkeit von Thiolen sehr fein einstellen und somit den Erfordernissen von Soft-Robotern anpassen. «Roboter aus weichen Materialien wie die von uns entwickelte Hand haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Robotern aus Metall: Weil sie weich sind, sinkt die Verletzungsgefahr, wenn sie mit Menschen zusammenarbeiten, und sie eignen sich besser für den Umgang mit zerbrechlichen Gütern», erklärt ETH-Professor Katzschmann.

Scannen statt abschaben

3D-Drucker stellen Gegenstände generell Schicht für Schicht her: Düsen tragen an jeder Stelle das gewünschte Material in dickflüssiger Form auf. Eine UV-Lampe härtet jede Schicht sogleich. Bisherige Verfahren haben eine Vorrichtung, die Unebenheiten nach jedem Härtungsschritt abschabt. Das funktioniert nur mit schnell härtenden Polyacrylaten. Langsam härtende Polymere wie die Thiolene und Epoxide würden eine Abschabvorrichtung verkleben.
Schicht für Schicht wird die aus Polymeren mit unterschiedlicher Elastizität gedruckt (links: Schema, rechts: Computergrafik).
© Buchner TJK et al., Nature 2023
Damit die Forschenden auch langsam härtende Polymere verwenden konnten, entwickelten sie den 3D-Druck weiter: Ein 3D-Laser-Scanner prüft jede gedruckte Schicht sofort auf allfällige Unebenhei-ten. «Ein Feedback-Mechanismus gleicht diese Unebenheiten beim Druck der nächsten Schicht aus, indem er in Echtzeit punktgenau nötige Anpassungen der zu druckenden Materialmengen berechnet», erklärt Wojciech Matusik, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA und Mitautor der Studie. Das heisst, die neue Technologie ebnet Unebenheiten nicht mehr aus, sondern berücksichtigt sie beim Druck der nächsten Schicht einfach mit.
Die Studie wurde im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

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