На 3D-принтере напечатали анатомически точный искусственный палец

Американские и японские инженеры создали искусственный аналог пальца, относительно точно повторяющий его строение, в том числе кольцевые связки и сухожилия-сгибатели. Особенность этой разработки заключается в том, что она была напечатана за одну операцию с помощью 3D-принтера, работающего с разными материалами. Статья была представлена на конференции UR 2020.

Роботы с похожей на человеческое тело конструкцией используются как сами по себе, так и в качестве протезов рук или ног. В роборуках кисти часто внешне и по функциям повторяют работу настоящих кистей, но изнутри устроены иначе: часто в них между каждой парой фаланг расположены электромоторы. У человека пальцы сгибаются иным образом. В них на фалангах или между ними располагаются кольцевые связки, через которые проходят сухожилия-сгибатели. Выше, в области предплечья, эти сухожилия переходят в мышцы — глубокие и поверхностные сгибатели пальцев. Существуют роборуки, в которых этот механизм повторяется с помощью тросов, проходящих сквозь пальцы, но по конструкции они все равно не полностью аналогичны настоящей кисти.

Группа инженеров под руководством Синити Хираи (Shinichi Hirai) из Университета Рицумейкан создали с помощью 3D-принтера более анатомически верный искусственный палец. Он состоит из трех фаланг, трех сухожилий, а также нескольких соединительных элементов, имитирующих хрящевые и прочие ткани. Авторы создали модели этих элементов на основе данных о строении реальных пальцев.

http://www.youtube.com/watch?v=20Pi7zG5JtY

Одна из особенностей пальца заключается в том, что он, хотя и состоит из разных функциональных элементов с разными механическими свойствам, на самом деле представляет собой единую монолитную деталь. Добиться этого позволил 3D-принтер, способный за один подход печатать сразу двумя материалами. Кости фаланг инженеры напечатали твердым и жестким пластиком, хрящи сделали из мягкого и эластичного полимера, а остальные элементы были напечатаны смесью с определенным соотношением двух материалов, позволяющих добиться максимально близких к реальным тканям свойствам.

В результате они получили палец, сгибаемый с помощью полимерных аналогов сухожилий, проходящих через аналоги кольцевых связок. Они подсоединили к концам сухожилий по одному актуатору, который может двигаться вниз или вверх, меняя натяжение сухожилия. Инженеры также провели симуляцию и выяснили, что поведение реального пальца достаточно точно описывается моделью. Они предположили, что разработанный ими метод в будущем позволит создавать более доступные, но при этом и более близкие по свойствам искусственные кисти для протезов или роботов.

Помимо имитации строения рук разработчики протезов также пытаются воссоздать осязание, выступающее одним из главных способов изучения поверхностей предметов при бытовом взаимодействии. Например, швейцарские инженеры создали палец с пьезорезистивными датчиками, которые считывает неровности поверхности и посылает импульсы в срединный нерв руки.

Григорий Копиев