بخش فناوری آزمایشگاه نوآوری  (TOIL) در آزمایشگاه لینکلن دانشگاه ام‌ای‌تی، فناوری چاپ سه بعدی را با مطالعه مکانیک حرکت انگشت، افزودن درجه حرارت غیرالکترونیکی، بازخورد لمسی و ترکیب حرکت‌دهنده‌ها بهبود داد. بنیاد خیریه سازندگان دست مصنوعی e-NABLE و گروه‌های مشابه از نتایج این پژوهش استفاده خواهند کرد.

دست چاپ سه بعدی Flexy

جامعه بین‌المللی سازندگان دست چاپ سه بعدی e-NABLE در چند سال گذشته رشد سریعی داشته است. این سازمان در سال ۲۰۱۱ توسط ایوان و جن اوون ایجاد شد و در حال حاضر پس از موفقیت در «a helping hand» و کمک به کودکان قطع عضو در سراسر جهان با دست رباتیک و کاربردی چاپ ارزان به یک پدیده چاپ سه بعدی جهانی تبدیل شد. تا به امروز کل پروژه‌های این سازمان عمدتاً روی تعداد انگشت شماری از طرح‌های اصلی که با حدود ۵۰ دلار چاپ و سرهم‌بندی می‌شوند تمرکز داشته است، هر چند بسیاری از داوطلبان طرح‌ها را برای دریافت‌کنندگان و اهداف خاصی وفق داده‌اند. در حال حاضر یک گروه از کارشناسان TOIL در بخشی از آزمایشگاه لینکلن MIT در تلاش برای افزایش کیفیت مقرون به صرفه و قابلیت تولید انبوه پروتزها از طریق توسعه فناوری‌های جدید هستند. آنها قصد دارند طرح نهایی را در اختیار e-NABLE و دیگر گروه‌های غیر انتفاعی قرار دهند.

اگر چه روند ساخت یک دست چاپ سه بعدی نسبتاً ساده است و بسیاری از داوطلبان چنین کارهایی را برای e-NABLE و دیگر سازمان‌های مشابه مانند سازمان Wounded Warrior انجام می‌دهند. اما روند طراحی یک دست چاپ سه بعدی کاربردی می‌تواند بسیار مشکل‌تر باشد. دیوید اسکات، مدیر TOIL و رهبر یک گروه از پژوهشگران (Naomi Hachen, Luke Johnson, Keri Mroszczyk, and Samuel VanNoy) درصدد بهبود طراحی دستی است که هم اکنون به صورت رایگان در اینترنت در دسترس است.

Naomi Hachen پژوهشگر TOIL

برای دریافت پروتز چاپ سه بعدی که از طریق e-NABLE در دسترس است، گروه طرح‌ها را دانلود، چاپ و مدل‌ها را سرهم‌بندی می‌کند. بیشترین قطعات سفارش شده قبل از سرهم‌بندی در PLA چاپ شده است. برای اغلب مدل‌ها روند سرهم‌بندی شامل اتصال انگشتان به یک قطعه‌ی هرزگرد است که در پشت مچ دست قرار دارد و از طریق رشته‌های بافته شده و سوراخ‌ها به پین‌‌ها گره می‌خورد. قطعه‌ی هرزگرد با رشته‌های کشسانی محکم می‌شود و به کاربر اجازه می‌دهد تا با خم کردن مچ دست کشش و فشاری را ایجاد کند و موجب چنگ زدن انگشتان شود.

گروه TOIL متوجه شد که طرح چاپ سه بعدی فعلی دارای محدودیت‌های خاصی است. برای نمونه منع حرکت یک انگشت، موجب بی‌حرکت شدن همه انگشتان می‌شود و چنگ زدن را محدود می‌کند. عدم چنگ زدن مناسب می‌تواند به دلایل بسیاری مشکل‌ساز باشد به طوری که پژوهشگران درصدد برآمدند تا طرح جدیدی ایجاد کنند که در آن هر انگشت به طور مستقل عمل کند و موجب بهبود چنگ زدن و انعطاف‌پذیری آن شود. راهکار آنها «whippletree»، یک ساختار هوشمندانه متشکل از یک مفصل مرکزی متصل به چند رابط است. هنگامی که یک اتصال از whippletree مسدود شده باشد، محور مرکزی مشترک، نیرو را به طور مساوی از طریق دیگر رابط‌ها توزیع می‌کند. e-NABLE یک طرح از whippletree را اجرا کرد اما بدون اتصال انگشت شست. TOIL یک گام جلوتر رفت و یک whippletree پنج انگشتی ایجاد کرد که قادر است هر انگشت را به طور مستقل حرکت دهد و به کاربران اجازه می‌دهد تا بصورتی پایدار و محکم هر شیئی با هر شکلی را در دست نگه دارند.

whippletree

امکان حس گرما در دست مصنوعی چاپ سه بعدی

اسکات و گروهش نیز راه دیگری برای بهبود طرح‌های دست چاپ سه بعدی یافت. برای نمونه آنها موفق شدند بازخورد دمای منفعل را به طراحی اضافه کنند این کار با استفاده از یک رشته حساس به حرارت و تغییر رنگ پلاستیک میسر شد. مواد ترموکرومیک پس از آنکه حرارت به سطح آنها اعمال شود بلافاصله تغییر رنگ می‌دهند و این به کاربران اجازه می‌دهد تا گرمای محیط اطراف خود را به طور کامل احساس کنند. VanNoy می‌گوید:

«این برای کاربران مهم است که بدانند سطحی گرم است یا نه. اگر کاربران گرما را تشخیص دهند، می‌توانند به طور بالقوه از جراحت‌های شخصی و آسیب‌های دست مانند ذوب شدن جلوگیری کنند».

افزودن بازخورد لمسی به دست مصنوعی

گروه TOIL نیز یک جزء بازخورد لمسی ایجاد کرده که به کاربران اجازه می‌دهد فشار را احساس کنند هر چند توسعه آن کند است. این جزء هوشمند از مسیر لوله انعطاف‌پذیری که از نوک انگشت تا ساعد کشیده شده، استفاده می‌کند. لوله با یک مایع که هنوز مشخص نیست پر خواهد شد و زمانی که فشار اعمال می‌شود مایع درون لوله نیز فشرده می‌شود. مقدار فشار مایع به کاربر اجازه می‌دهد تا بفهمد چقدر تحت فشار است.

کنترل دست با موتورهای الکتریکی

در حالی که Hachen، Mroszczyk و VanNoy بیشتر وقت خود را صرف بهینه‌سازی دست چاپ سه بعدی e-NABLE کردند جانسون نیز وقتش را صرف محکم‌تر کردن طرح با استفاده از قطعات موتوری کرده است. این پروتز می‌تواند در مقیاس‌های گوناگون برای کسانی که مچ دست خود را از دست داده‌اند تا کسانی که از بازو، دست خود را از دست داده‌اند استفاده شود و بویژه برای اعضای پروژه Wounded Warrior، که یک سازمان غیرانتفاعی برای مجروحان جنگی است استفاده می‌شود. با استفاده از چرخ دنده‌ها، موتورها و سخت‌افزار آردوینو (یک پلتفرم منبع باز الکترونیکی)، جانسون قادر به ایجاد یک دست چاپ سه بعدی شد که از طریق حسگرهای عضلات می‌توان آنرا کنترل کرد.

دست چاپ سه بعدی و موتوری جانسون با استفاده از دست Flexy

دست چاپ سه بعدی جانسون حدود ۳۵۰ دلار ارزش دارد و با دست e-NABLE سازگار است. هر حسگر عضله به یک پین ورودی در آردوینو متصل است و سیگنال‌ها، موتورهای روی دست را به کار می‌گیرند. جانسون می‌گوید: «حسگرهای گوناگون را می‌توان برای عضلات مختلف برنامه‌ریزی کرد. برای نمونه در صورتی که کاربر عضلات قفسه سینه را خم کند این حرکت می‌تواند موتور آرنج را روشن و آرنج را خم کند». موتورهای مورد استفاده در دست می‌توانند تا ۲۵ پوند وزن را تحمل کنند و این تیم در حال آزمایش استحکام قطعات پلاستیکی چاپ سه بعدی است.

گروه TOIL پژوهش‌های خود را ادامه خواهد داد تا طرح نهایی را به e-NABLE وسازمانWounded Warrior ارسال کند. جانسون گفت: «وقتی که من دست e-NABLE موجود را دیدم، می‌دانستم که آنها می‌توانند بهتر باشند. با آغاز این پروژه، من مجموعه‌ای از دانش‌ها از مدار تا مهندسی را به دست آوردم. اما مهم‌ترین بخش این پروژه کمک به مردم است. این دانش دلگرم کننده است».

منبع: ۳ders.org