3D tisk umožňuje vytvářet dynamické objekty pomocí kabelů

Je náročné konstruovat zařízení, která by napodobovala plynulý a přesný pohyb člověka. To se však může změnit díky nové metodě využívající doslova „tažení za nitky“.

Tato metoda je založena na „kabelově ovládaných“ mechanismech, kde vedení kabelu skrz objekt generuje zjednodušený pohyb jeho jednotlivých částí. Představte si například robotický prst: kabel vedený z dlaně ke špičce prstu umožňuje jeho ohýbání při jeho stažení.

Ačkoliv kabelově ovládané mechanismy umožňují reálný pohyb – ohýbání, kroucení a skládání objektů – jejich ruční sestavování je složité a časově náročné. Aby se tento proces automatizoval, výzkumníci z MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) vyvinuli komplexní přístup k 3D tisku nazvaný „Xstrings“. Xstrings kombinuje návrhový nástroj a metodu výroby, která umožňuje zabudovat všechny součásti dohromady a vyrobit kabelově ovládané zařízení, čímž se šetří čas při sestavování bionických robotů, tvorbě uměleckých instalací nebo práci na dynamických módních návrzích.

V článku, který bude prezentován na konferenci CHI2025, výzkumníci použili Xstrings k vytištění řady barevných a unikátních objektů, včetně červeného robotického ještěra, fialové nástěnné sochy otevírající se jako páví ocas, bílého chapadla ovíjejícího se kolem předmětů a bílé kleštiny, která se může sevřít do pěsti a uchopit předměty.

Xstrings umožňuje uživatelům plně přizpůsobit design v softwarovém programu a poté jej odeslat do vícemateriálové 3D tiskárny pro realizaci. Všechny součásti zařízení, včetně kabelů a kloubů umožňujících pohyb, lze automaticky vytisknout na jejich požadovaných místech v jednom kroku.

Jiaji Li, postdoktorand MIT CSAIL a hlavní autor studie, říká, že Xstrings šetří inženýrům čas a energii, snižuje celkovou dobu výroby o 40 procent ve srovnání s ručním postupem. „Naše inovativní metoda umožňuje každému navrhnout a vyrobit kabelově ovládané produkty pomocí stolní dvoumateriálové 3D tiskárny,“ říká Li.

Nový přístup k výrobě kabelově ovládaných objektů

Pro použití programu Xstrings uživatelé nejprve zadají design s konkrétními rozměry, například obdélníkový krychle rozdělený na menší části s otvorem uprostřed každé z nich. Poté mohou zvolit způsob pohybu částí výběrem různých „primitiv“: ohýbání, vinutí (jako pružina), kroucení (jako šroub) nebo stlačování – a úhel těchto pohybů.

Pro ještě propracovanější výtvory mohou uživatelé kombinovat více primitiv, čímž vytvoří zajímavé kombinace pohybů. Pokud by chtěli vytvořit hračku hada, mohli by zahrnout několik kroucení, čímž vytvoří „sériovou“ kombinaci, kde jeden kabel řídí posloupnost pohybů. Pro vytvoření robotické kleště tým zabudoval více kabelů do „paralelní“ kombinace, kde je zabudováno několik kabelů, aby každý prst mohl sevřít do pěsti.

Kromě jemného doladění pohybu kabelově ovládaných mechanismů Xstrings také usnadňuje integraci kabelů do objektu. Uživatelé si mohou přesně vybrat, jak jsou kabely upevněny, pokud jde o umístění „kotvy“ (koncového bodu), „závitových oblastí“ (nebo otvorů ve struktuře, kterými kabel prochází) a „odhaleného bodu“ (kde se táhne za kabel pro ovládání zařízení). U robotického prstu by se například kotva mohla nacházet na špičce prstu, s kabelem procházejícím prstem a tahem odhaleným na druhém konci.

Xstrings také podporuje různé návrhy kloubů automatickým umístěním komponent, které jsou elastické, poddajné nebo mechanické. To umožňuje kabelu otáčet se podle potřeby při provádění zamýšleného pohybu zařízení.

Unikátní designy v robotice, umění a dalších oblastech

Jakmile uživatelé nasimulují svůj digitální plán pro kabelově ovládaný předmět, mohou jej zrealizovat prostřednictvím výroby. Xstrings může odeslat váš design do 3D tiskárny s technologií Fused Deposition Modeling, kde se plast roztaví v trysce a poté se vlákna vypouštějí k postupnému budování struktur vrstvu po vrstvě.

Xstrings používá tuto techniku k vodorovnému ukládání kabelů a budování kolem nich. Aby se ujistili, že jejich metoda úspěšně vytiskne kabelově ovládané mechanismy, výzkumníci pečlivě testovali své materiály a tiskařské podmínky.

Výzkumníci například zjistili, že jejich kabely se přetrhnou až po více než 60 000 opakovaných pohybech nahoru a dolů mechanickým zařízením. V dalším testu tým zjistil, že tisk při 260 stupních Celsia s rychlostí 10-20 milimetrů za sekundu je ideální pro výrobu mnoha kreativních předmětů.

„Software Xstrings dokáže proměnit různé nápady v realitu,“ říká Li. „Umožňuje vám vyrobit bionické robotické zařízení podobné lidské ruce, napodobovat naše schopnosti uchopení. Můžete také vytvářet interaktivní umělecká díla, jako jsou kabelově ovládané sochy s unikátní geometrií, a oblečení s nastavitelnými klapkami. Jednoho dne by tato technologie mohla umožnit rychlou, jednokrokovou tvorbu kabelově ovládaných robotů ve vesmíru, dokonce i v silně omezených prostředích, jako jsou vesmírné stanice nebo mimozemské základny.“

Tým nabízí značnou flexibilitu a znatelné zrychlení výroby kabelově ovládaných objektů. Vytváří objekty, které jsou zvenku tuhé, ale uvnitř měkké a flexibilní; v budoucnu by se mohli zaměřit na vývoj objektů, které jsou zvenku měkké, ale uvnitř tuhé, podobně jako lidská kůže a kosti. Zvažují také použití odolnějších kabelů a místo vodorovného tisku kabelů začlenit kabely šikmé nebo dokonce vertikální.

Na studii s Li spolupracovali Shuyue Feng (magisterský student Zhejiang University), Yujia Liu (magisterský student Tsinghua University), Guanyun Wang (asistent profesor Zhejiang University a bývalý hostující výzkumník MIT Media Lab) a tři členové CSAIL: Maxine Perroni-Scharf (doktorská studentka MIT v oboru elektrotechniky a informatiky), Emily Guan (hostující výzkumnice) a vedoucí autorka Stefanie Mueller (TIBCO Career Development Associate Professor na MIT v oboru elektrotechniky a informatiky, strojírenství a vedoucí skupiny HCI Engineering Group).

Tento výzkum byl částečně podpořen postdoktorandským stipendiem od Zhejiang University a programem MIT-GIST.