《Nature》：MIT、Inkbit和ETH合作開發(fā)多材料VCJ打印技術(shù)，比傳統(tǒng)噴墨打印快660倍

2023年11月16日，南極熊獲悉，來自麻省理工學(xué)院、先進(jìn)增材制造解決方案的先驅(qū)Inkbit™公司和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種新型 3D 噴墨打印系統(tǒng)，展示了如何使用其視覺控制噴射(VCJ)技術(shù)直接在一次打印中制造復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，無需組裝子組件，并且可使用更廣泛的材料。他們所采用的視VJC技術(shù)利用計(jì)算機(jī)視覺自動掃描 3D 打印表面并實(shí)時調(diào)整每個噴嘴沉積的樹脂量，以確保任何區(qū)域的材料適當(dāng)。

由于不需要機(jī)械部件來平滑樹脂，因此這種非接觸式系統(tǒng)所使用的材料比傳統(tǒng) 3D 打印中使用的丙烯酸酯固化得更慢。一些固化速度較慢的材料化學(xué)成分可以提供比丙烯酸酯更好的性能，例如更大的彈性、耐用性或壽命。此外，自動系統(tǒng)可以在不停止或減慢打印過程的情況下進(jìn)行調(diào)整，使這款生產(chǎn)級打印機(jī)比同類 3D 噴墨打印系統(tǒng)快約 660 倍。研究人員使用這臺打印機(jī)創(chuàng)建了結(jié)合軟質(zhì)和剛性材料的復(fù)雜機(jī)器人設(shè)備。例如，他們制作了一個完全 3D 打印的機(jī)器人抓手，形狀像人手，由一組加固但靈活的肌腱控制。

這項(xiàng)具有里程碑意義的研究以題為“Vision-controlled jetting forcomposite systems and robots”的論文被發(fā)表在《Nature》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3

麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，領(lǐng)導(dǎo)麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL) 的計(jì)算設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)成員、論文共同通訊作者 Wojciech Matusik 說：“我們的主要研究內(nèi)容是開發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)和完全主動的反饋回路。這幾乎就像賦予打印機(jī)一雙眼睛和大腦，眼睛觀察正在打印的內(nèi)容，然后機(jī)器的大腦指導(dǎo)它下一步應(yīng)該打印什么。”

與Matusik一同撰寫論文的還有蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的博士生托馬斯·布赫納 (Thomas Buchner) 和共同通訊作者羅伯特·卡茨施曼 (Robert Katzschmann) 博士，他是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院軟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人學(xué)助理教授，以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和 Inkbit 的其他人。這項(xiàng)研究的部分資金由瑞士信貸、瑞士國家科學(xué)基金會、美國國防高級研究計(jì)劃局和美國國家科學(xué)基金會資助。

△研究人員使用他們的打印系統(tǒng)來創(chuàng)建結(jié)合軟質(zhì)和剛性材料的復(fù)雜機(jī)器人設(shè)備。由于打印機(jī)有 16,000 個噴嘴，該系統(tǒng)可以控制正在制造的設(shè)備的精細(xì)細(xì)節(jié)。此渲染顯示打印機(jī)已完成一半的對象。

智能噴墨

借助 3D 噴墨打印系統(tǒng)，工程師可以制造具有柔軟和剛性組件的混合結(jié)構(gòu)，例如機(jī)器人抓手，其強(qiáng)度足以抓住重物，但又足夠柔軟，可以與人類安全互動。

這些多材料 3D 打印系統(tǒng)利用數(shù)千個噴嘴沉積微小的樹脂液滴，用刮刀或滾筒將其平滑，并用紫外線固化。但平滑過程可能會擠壓或涂抹固化緩慢的樹脂，從而限制了可以使用的材料類型。

這篇來自 ETH、Inkbit 和 MIT 的論文構(gòu)建了一種名為 MultiFab 的低成本多材料 3D 打印機(jī)，研究人員于 2015 年推出了該打印機(jī)（最終形成了 Inkbit 當(dāng)前的系統(tǒng)）。通過利用數(shù)千個噴嘴沉積紫外線固化的微小樹脂滴，MultiFab能夠同時使用多達(dá) 10 種材料進(jìn)行高分辨率 3D 打印。

△研究人員制造了一種功能性的、肌腱驅(qū)動的機(jī)器人手，它有 19 個可獨(dú)立驅(qū)動的肌腱、帶有傳感器墊的柔軟手指以及剛性的承重骨骼。

通過這個新項(xiàng)目，研究人員尋求一種非接觸式工藝，以擴(kuò)大他們可用于制造更復(fù)雜設(shè)備的材料范圍。為此，他們開發(fā)了一種稱為視覺控制噴射（VJC）的技術(shù)，該技術(shù)利用四個高幀率相機(jī)和兩個激光器來快速、連續(xù)地掃描打印表面。當(dāng)數(shù)千個噴嘴沉積微小的樹脂滴時，相機(jī)捕獲圖像。

Inkbit 的 VCJ 如何從根本上改變增材制造

Inkbit 是先進(jìn)增材制造解決方案的先驅(qū)，一直在 InkbitVista 系統(tǒng)中商業(yè)利用 VJC 技術(shù)，使用最先進(jìn)的耐用材料生產(chǎn)零件。然而，這些仍然是單一材料零件。ETH、Inkbit 和 MIT 的研究“復(fù)合系統(tǒng)和機(jī)器人的視覺控制噴射”研究展示了 VCJ 如何通過擴(kuò)展Inkbit的能力，重建自然有機(jī)體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，開辟新的制造領(lǐng)域。

因此，VCJ 首次提供了在一次打印中精確制造復(fù)雜的多功能系統(tǒng)的能力，而無需組裝子組件。Inkbit 首席執(zhí)行官 Davide Marini 表示：“我們的 VCJ 技術(shù)是增材制造領(lǐng)域的質(zhì)變。我們正在縮小我們在自然界中欣賞的優(yōu)雅復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與我們合成復(fù)制它們的能力之間的差距。這不僅僅是向前邁出的一步，這更是進(jìn)入制造新時代的飛躍�！�

△渲染圖顯示了機(jī)械手的打印過程，白色球體代表打印機(jī)使用的材料

Inkbit 的 VCJ 技術(shù)起源于傳統(tǒng)的噴墨 3D 打印，現(xiàn)在通過集成支持 AI 的3D 計(jì)算機(jī)視覺掃描系統(tǒng)，實(shí)時捕獲每層的打印幾何形狀，將其提升到一個全新的水平。這種數(shù)字閉環(huán)反饋控制操作消除了對機(jī)械平整裝置的需求，并能夠使用慢固化化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行打印，從而更精確地構(gòu)建聚合物鏈。因此，VCJ 可以直接準(zhǔn)確、精確地打印具有各種機(jī)械性能的復(fù)雜、多材料零件。

這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用非常廣泛。VCJ不僅增強(qiáng)了打印元件的分辨率和功能能力，它還可以制造復(fù)雜的通道和腔體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以通過結(jié)構(gòu)傳輸信號、電力或流體。借助 VCJ，現(xiàn)在可以直接制造能夠大規(guī)模執(zhí)行復(fù)雜物理任務(wù)的復(fù)雜多功能系統(tǒng)。為了展示 VCJ 的功能，研究人員打印了各種復(fù)雜的系統(tǒng)，例如：根據(jù) MRI 數(shù)據(jù)建模的肌腱驅(qū)動手、氣動行走機(jī)械手、模仿心臟的泵以及新穎的超材料結(jié)構(gòu)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的托馬斯·布赫納教授表示：“借助 Inkbit 的 VJC 技術(shù)和材料，我們第一次能夠打印出像機(jī)器人手這樣復(fù)雜的東西，有骨頭、韌帶和肌腱，模仿功能齊全的人手，而且一次就能完成。Inkbit 的 TEPU 材料具有非常好的彈性特性，彎曲后彈回原始狀態(tài)的速度比聚丙烯酸酯快得多，使其成為生產(chǎn)機(jī)械手彈性韌帶的理想選擇�！�

計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)將圖像轉(zhuǎn)換為高分辨率深度圖，計(jì)算時間不到一秒。它將深度圖與正在制造的零件的 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）模型進(jìn)行比較，并調(diào)整沉積的樹脂量，以使物體保持最終結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

自動化系統(tǒng)可以對任何單獨(dú)的噴嘴進(jìn)行調(diào)整。由于打印機(jī)有 16,000 個噴嘴，該系統(tǒng)可以控制正在制造的設(shè)備的精細(xì)細(xì)節(jié)。

Katzschmann 說道：“從幾何角度來看，它幾乎可以打印任何你想要的由多種材料制成的東西。您可以發(fā)送到打印機(jī)的內(nèi)容幾乎沒有任何限制，并且您得到的內(nèi)容真正實(shí)用且持久�！�

該系統(tǒng)提供的控制水平使其能夠非常精確地使用蠟進(jìn)行打印，蠟被用作支撐材料，在物體內(nèi)部創(chuàng)建空腔或復(fù)雜的通道網(wǎng)絡(luò)。在制造設(shè)備時，蠟被打印在結(jié)構(gòu)下方。完成后，物體被加熱，蠟熔化并排出，在整個物體上留下開放的通道。

由于它可以自動、快速地實(shí)時調(diào)整每個噴嘴沉積的材料量，因此系統(tǒng)不需要在打印表面上拖動機(jī)械部件來保持水平。這使得打印機(jī)能夠使用逐漸固化的材料，并且會被刮刀涂抹。

高性能材料

ETH、Inkbit 和 MIT 的研究人員使用該系統(tǒng)使用硫醇基材料進(jìn)行打印，這種材料的固化速度比 3D 打印中使用的傳統(tǒng)丙烯酸材料慢。然而，硫醇基材料更具彈性，并且不像丙烯酸酯那樣容易斷裂。它們在更廣泛的溫度范圍內(nèi)也往往更穩(wěn)定，并且在暴露于陽光下時不會很快降解。卡茨施曼說：“當(dāng)你想要制造需要與現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境交互的機(jī)器人或系統(tǒng)時，這些是非常重要的屬性�！�

研究人員使用硫醇基材料和蠟制造了幾種復(fù)雜的設(shè)備，否則現(xiàn)有的 3D 打印系統(tǒng)幾乎無法制造這些設(shè)備。首先，他們生產(chǎn)了一種功能性的、肌腱驅(qū)動的機(jī)器人手，它有 19 個可獨(dú)立驅(qū)動的肌腱、帶有傳感器墊的柔軟手指以及剛性的承重骨骼。

△托盤上展示的各種白色 3D 打印物體。這些物體分別是：機(jī)械手、由晶格結(jié)構(gòu)制成的立方體、生物心臟和步行機(jī)器人

布赫納說：“我們還生產(chǎn)了一種六足步行機(jī)器人，可以感知物體并抓住它們，這是可能的，因?yàn)樵撓到y(tǒng)能夠創(chuàng)建軟質(zhì)和剛性材料的氣密界面，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的復(fù)雜通道�！�

研究團(tuán)隊(duì)還通過具有集成心室和人造心臟瓣膜的類心泵以及可編程為具有非線性材料特性的超材料展示了VCJ技術(shù)。Matusik 說道：“這只是開始。您可以向該技術(shù)添加數(shù)量驚人的新型材料。這使我們能夠引入以前無法用于 3D 打印的全新材料系列。”

研究人員現(xiàn)在正在考慮使用該系統(tǒng)打印水凝膠，水凝膠用于組織工程應(yīng)用，以及硅材料、環(huán)氧樹脂和特殊類型的耐用聚合物。他們還希望探索新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如打印可定制的醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體拋光墊，甚至更復(fù)雜的機(jī)器人。