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19 Déc, 2023

Robots imprimés avec os, ligaments et tendons

Robots imprimés avec os, ligaments et tendons

Imprimé en 3D en une seule fois : Une main robotique composée de polymères plus ou moins rigides et élastiques. (Photo : ETH Zurich/Thomas Buchner)

Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à imprimer sur une main robotique des os, des ligaments et des tendons constitués de différents polymères grâce à une nouvelle technique de numérisation laser.

En bref

  • En rendant l’impression 3D adaptée aux polymères à durcissement lent, les chercheurs ont considérablement élargi les possibilités de la robotique douce. Les nouveaux matériaux présentent des avantages par rapport aux précédents.
  • Ces progrès ont été possibles grâce à une nouvelle technologie combinant l’impression 3D avec un scanner laser et un mécanisme de retour d’information.
  • Aux États-Unis, une spin-​off propose désormais cette technologie et imprime des objets complexes à la demande du client.

L’impression 3D progresse rapidement et la gamme de matériaux pouvant être utilisés s’est considérablement élargie. Alors que cette technologie était auparavant limitée aux plastiques à durcissement rapide, elle est désormais également adaptée aux plastiques à durcissement lent. Ceux-ci présentent des avantages décisifs car ils possèdent des propriétés élastiques améliorées et sont plus durables et plus robustes.

L’utilisation de tels polymères est rendue possible grâce à une nouvelle technologie développée par des chercheurs de l’ETH Zurich et une start-​up américaine. En conséquence, les chercheurs peuvent désormais imprimer en 3D des robots complexes et plus durables à partir d’une variété de 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 également l’utiliser pour créer des structures délicates et des pièces comportant des cavités selon leurs souhaits.

Des matériaux qui retrouvent leur état d’origine

Grâce à cette nouvelle technologie, des chercheurs de l’ETH Zurich ont réussi pour la première fois à imprimer en une seule fois sur une main robotique des os, des ligaments et des tendons constitués de différents polymères.

«Nous n’aurions pas pu réaliser cette main avec les polyacrylates à durcissement rapide que nous utilisons jusqu’à présent pour l’impression 3D», explique Thomas Buchner, doctorant dans le groupe du professeur de robotique de l’ETH Zurich Robert Katzschmann et premier auteur de l’étude. « Nous utilisons désormais des polymères de thiolène à durcissement lent. Ceux-ci ont de très bonnes propriétés élastiques et reviennent à leur état d’origine beaucoup plus rapidement après flexion que les polyacrylates. Cela rend les polymères de thiolène idéaux pour produire les ligaments élastiques de la main robotique. »

(Vidéo : ETH Zurich / Nicole Davidson)

De plus, la rigidité des thiolènes peut être très bien ajustée pour répondre aux exigences des robots mous. « Les robots fabriqués à partir de matériaux souples, comme la main que nous avons développée, présentent des avantages par rapport aux robots conventionnels en métal. Parce qu’ils sont souples, il y a moins de risques de blessures lorsqu’ils travaillent avec des humains et ils sont mieux adaptés à la manipulation de marchandises fragiles », explique Robert Katzschmann.

Scanner au lieu de gratter

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 durcit ensuite chaque couche immédiatement. Les méthodes précédentes impliquaient un dispositif qui grattait les irrégularités de surface après chaque étape de durcissement. Cela ne fonctionne qu’avec des polyacrylates à durcissement rapide. Les polymères à durcissement lent tels que les thiolènes et les époxy pourraient encrasser le grattoir.

La main robotique est imprimée couche par couche à l’aide de polymères d’élasticité variable (à gauche : schéma, à droite : infographie). (Visualisations : Buchner TJK et al., Nature 2023)

Pour s’adapter à l’utilisation de polymères à durcissement lent, les chercheurs ont développé l’impression 3D en ajoutant un scanner laser 3D qui vérifie immédiatement chaque couche imprimée pour déceler toute irrégularité de surface.

« Un mécanisme de rétroaction compense ces irrégularités lors de l’impression de la couche suivante en calculant les ajustements nécessaires de 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 co-​auteur de l’étude. Cela signifie qu’au lieu de lisser les couches inégales, la nouvelle technologie prend simplement en compte les irrégularités lors de l’impression de la couche suivante.

D’autres exemples d’impression 3D incluent un robot à pattes et des métamatériaux. Ce dernier pourrait être utilisé pour absorber les vibrations. (Photographies : ETH Zurich / Thomas Buchner)

Inkbit, une spin-​off du MIT, était responsable du développement de la nouvelle technologie d’impression. Les chercheurs de l’ETH Zurich ont développé plusieurs applications robotiques et contribué à optimiser la technologie d’impression pour une utilisation avec des polymères à durcissement lent. Les chercheurs suisses et américains ont publié conjointement la technologie et leurs exemples d’applications dans la revue Nature.

À l’ETH Zurich, le groupe de Robert Katzschmann utilisera la technologie pour explorer d’autres possibilités, concevoir des structures encore plus sophistiquées et développer des applications supplémentaires. Inkbit prévoit d’utiliser la nouvelle technologie pour proposer un service d’impression 3D à ses clients et vendre les nouvelles imprimantes.

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/11/printed-robots-with-bones-ligaments-and-tendons.html

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06684-3

https://inkbit3d.com/