Une imprimante 3D a permis d'imprimer une main humaine, dotée d'os, de ligaments...
Pour la première fois, une imprimante 3D a permis à des chercheurs d'imprimer une main humaine robotisée entièrement fonctionnelle,
dotée d'os, de ligaments et de tendons
Recréer les structures et les fonctions complexes des organismes naturels sous une forme synthétique est un objectif de longue date pour l'humanité. L'objectif est de créer des systèmes actionnés avec des résolutions spatiales élevées et des arrangements de matériaux complexes allant de l'élastique au rigide. Les procédés de fabrication traditionnels peinent à fabriquer des systèmes aussi complexes.
Des chercheurs de l'ETH Zurich et une start-up américaine ont développé une nouvelle technologie d'impression 3D qui permet la fabrication de robots complexes et durables à partir de matériaux souples, élastiques et rigides. Grâce à des polymères à durcissement lent, les scientifiques ont réussi à imprimer une main robotisée avec des os, des ligaments et des tendons en une seule fois, offrant des propriétés élastiques et une durabilité accrues.
La fabrication automatique et rapide de systèmes fonctionnels présentant une large gamme de propriétés élastiques, de résolutions et de canaux d'actionnement et de détection intégrés reste un défi à relever. Les chercheurs proposent un processus de dépôt par jet d'encre, appelé jet contrôlé par la vision, qui permet de créer des systèmes et des robots complexes. Un système de balayage capture la géométrie tridimensionnelle de l'impression et permet une boucle de rétroaction numérique, ce qui élimine le besoin de planariseurs mécaniques. Ce processus sans contact permet d'utiliser des chimies à durcissement continu et, par conséquent, d'imprimer une gamme plus large de familles de matériaux et de modules élastiques.
« Les progrès réalisés dans les propriétés des matériaux sont caractérisés par des tests normalisés comparant nos matériaux imprimés à l'état de l'art. Nous avons fabriqué directement un large éventail de systèmes composites complexes à haute résolution et de robots : des mains actionnées par des tendons, des manipulateurs de marche actionnés pneumatiquement, des pompes qui imitent un cœur et des structures de métamatériaux. Notre approche fournit un processus automatisé, évolutif et à haut débit pour fabriquer des systèmes multimatériaux fonctionnels à haute résolution », déclarent les chercheurs.
Cette avancée permet de créer des structures délicates et des pièces avec des cavités. Les chercheurs soulignent que les robots souples, comme la main développée, présentent moins de risques de blessures lors de l'interaction avec les humains et sont plus adaptés à la manipulation de marchandises fragiles que les robots conventionnels en métal. Une nouvelle méthode d'impression 3D, intégrant un scanner laser 3D, permet de compenser les irrégularités de surface des polymères à durcissement lent en temps réel, éliminant ainsi le besoin de lisser les couches après chaque étape.
L'entreprise Inkbit, lancé par le MIT, a contribué au développement de cette technologie, prévoyant de l'utiliser pour offrir un service d'impression 3D et commercialiser de nouvelles imprimantes. L'impression 3D progresse rapidement et la gamme des matériaux utilisables s'est considérablement élargie. Alors que la technologie était auparavant limitée aux plastiques à durcissement rapide, elle est désormais adaptée aux plastiques à durcissement lent. Ces derniers présentent des avantages décisifs, car ils ont des propriétés élastiques accrues et sont plus durables et robustes.
L'utilisation de ces polymères est rendue possible par une nouvelle technologie développée par des chercheurs de l'ETH Zurich. Ainsi, les chercheurs peuvent désormais imprimer en 3D des robots complexes et plus durables à partir de divers matériaux de haute qualité en une seule fois. Cette nouvelle technologie permet également de combiner facilement des matériaux souples, élastiques et rigides. Les chercheurs peuvent aussi l'utiliser pour créer des structures délicates et des pièces comportant des cavités.
Des matériaux qui reviennent à leur état d'origine
Grâce à cette nouvelle technologie, les chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi pour la première fois à imprimer une main robotisée avec des os, des ligaments et des tendons composés de différents polymères en une seule fois. « Nous n'aurions pas pu fabriquer cette main avec les polyacrylates à polymérisation rapide que nous utilisions jusqu'à présent pour l'impression 3D », explique Thomas Buchner, doctorant dans le groupe de Robert Katzschmann, professeur de robotique à l'ETH Zurich, et premier auteur de l'étude. « Nous utilisons maintenant des polymères thiolènes à polymérisation lente. Ils ont de très bonnes propriétés élastiques et reviennent à leur état d'origine beaucoup plus rapidement que les polyacrylates ». Les polymères thioléniques sont donc idéaux pour produire les ligaments élastiques de la main robotisée.
En outre, la rigidité des thiolènes peut être réglée très finement pour répondre aux exigences des robots souples. « Les robots faits de matériaux souples, comme la main que nous avons développée, présentent des avantages par rapport aux robots conventionnels faits de métal. Comme ils sont souples, ils présentent moins de risques de blessures lorsqu'ils travaillent avec des humains et ils sont mieux adaptés à la manipulation de marchandises fragiles », explique Katzschmann.
Les imprimantes 3D produisent généralement des objets couche par couche : des buses déposent un matériau donné sous forme visqueuse en chaque point ; une lampe UV polymérise ensuite immédiatement chaque couche. Les méthodes précédentes impliquaient un dispositif qui grattait les irrégularités de la surface après chaque étape de durcissement. Cette méthode ne fonctionne qu'avec les polyacrylates à durcissement rapide. Les polymères à polymérisation lente, tels que les thiolènes et les époxydes, gommeraient le racloir.
Pour permettre l'utilisation de polymères à durcissement lent, les chercheurs ont perfectionné l'impression 3D en ajoutant un scanner laser 3D qui vérifie immédiatement si chaque couche imprimée présente des irrégularités de surface. « Un mécanisme de rétroaction compense ces irrégularités lors de l'impression de la couche suivante en calculant les ajustements nécessaires à la quantité de matériau à imprimer en temps réel et avec une précision extrême », explique Wojciech Matusik, professeur au Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis et coauteur de l'étude. Cela signifie qu'au lieu de lisser les couches irrégulières, la nouvelle technologie prend simplement en compte les irrégularités lors de l'impression de la couche suivante.
Inkbit, une entreprise dérivée du MIT, était responsable du développement de la nouvelle technologie d'impression. Les chercheurs de l'ETH Zurich ont développé plusieurs applications robotiques et ont contribué à optimiser la technologie d'impression pour une utilisation avec des polymères à durcissement lent. Les chercheurs suisses et américains viennent de publier conjointement la technologie et leurs exemples d'applications dans la revue Nature.
À l'ETH Zurich, le groupe de Katzschmann utilisera la technologie pour explorer d'autres possibilités, concevoir des structures encore plus sophistiquées et développer d'autres applications. Inkbit prévoit d'utiliser la nouvelle technologie pour offrir un service d'impression 3D à ses clients et pour vendre les nouvelles imprimantes.
Les défis et les opportunités de l’impression 3D de robots avec des matériaux biomimétiques
L'avancée dans la technologie d'impression 3D pour la fabrication de robots avec des matériaux tels que des os, des ligaments et des tendons est indéniablement impressionnante. Cette innovation, développée par des chercheurs de l'ETH Zurich et une start-up américaine, ouvre de nouvelles perspectives pour la création de robots plus souples, durables et adaptés à des interactions plus sûres avec les humains.
L'utilisation de polymères à durcissement lent offre des avantages significatifs en termes de propriétés élastiques accrues et de durabilité, ce qui est crucial pour la fabrication de parties robotiques imitant la structure anatomique humaine. La capacité à imprimer des structures délicates en une seule fois, combinant différents types de matériaux, représente une avancée majeure dans la polyvalence de l'impression 3D.
L'intégration d'un scanner laser 3D pour compenser les irrégularités de surface en temps réel est une solution ingénieuse qui surmonte les limitations précédentes liées aux polymères à durcissement lent. Cette approche permet d'obtenir des résultats plus précis sans nécessiter un lissage manuel des couches, contribuant ainsi à accélérer le processus d'impression.
Cependant, bien que cette avancée soit prometteuse, il est important de souligner certains aspects critiques. Tout d'abord, il convient de s'interroger sur la sécurité et la régulation dans le développement de robots souples destinés à interagir avec des êtres humains. Des protocoles stricts devraient être établis pour garantir que ces robots répondent aux normes de sécurité nécessaires.
De plus, la disponibilité commerciale de cette technologie et son accessibilité au grand public seront des facteurs déterminants de son succès à long terme. Les coûts associés à cette technologie d'impression 3D avancée pourraient constituer un obstacle à son adoption généralisée, limitant ainsi son impact potentiel. Bien que cette innovation représente une avancée significative dans le domaine de l'impression 3D et de la robotique, des questions liées à la sécurité, à la régulation et à la faisabilité économique doivent être abordées pour assurer son succès à grande échelle.
Source : ETH ZURICH
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