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.

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.

Компоненты искусственного пальца / Maryam Tebyani et al. / UR 2020

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.