STAMPANTI 3D CON “OCCHI E CERVELLO” PER FAR PROGREDIRE LA PRODUZIONE DI IMPIANTI MEDICI DI PRECISIONE
Uno studio interdisciplinare condotto da bioingegneri del Queensland University of Technology (QUT) Center in Transformative Biomimetics in Bioengineering e dal professor Paul Dalton dell’Oregon University , ha delineato i vantaggi dell’integrazione dell’intelligenza artificiale (AI) e della visione artificiale nelle stampanti 3D per la produzione di impianti medici.
Il team ritiene che fornire alla sua stampante 3D melt electrowriting (MEW) tali “occhi e cervelli” che possono essenzialmente vedere e apprendere, consentirà impianti di tessuti su misura per soddisfare le esigenze dei singoli pazienti. Le integrazioni di intelligenza artificiale e apprendimento automatico aiuteranno anche la capacità del sistema di stampare valvole cardiache e robotica morbida.
“Gli impianti e i dispositivi prodotti con metodi di produzione tradizionali sono generalmente di dimensioni standard”, ha affermato il direttore del centro e illustre professore Dietmar W. Hutmacher. “Tuttavia, abbiamo diverse sfide tecniche da superare prima che la stampa 3D trasformi la produzione avanzata di impianti e dispositivi medici”.
Attraverso il loro studio, il team sta lavorando per portare i vantaggi della stampa 3D a una gamma di design di dispositivi medici biodegradabili che presumibilmente non sono mai stati stampati prima, come valvole cardiache, scaffold ossei, membrane per l’ingegneria dei tessuti dentali e robot morbidi per il minimo chirurgia invasiva.
“Le stampanti 3D disponibili in commercio generalmente offrono solo biomateriali ad alta velocità, alta precisione o di grado medico e raramente offrono tutti e tre”, ha spiegato Hutmacher. “Ciò limita la loro idoneità come piattaforma di produzione per dispositivi medici come gli scaffold biodegradabili per l’ingegneria dei tessuti. L’aggiunta dell’intelligenza artificiale e della visione artificiale alla stampa 3D cambia questo paradigma”.
MEW è una tecnologia di produzione additiva ad alta risoluzione che scrive con precisione le fibre di piccolo diametro su un collettore. MEW si distingue dalle altre tecnologie di stampa 3D basate sull’estrusione di materiale fuso per un getto fuso stabilizzato elettroidrodinamicamente, che raggiunge risoluzioni su microscala della fibra da 0,8 a 50 micron.
L’ugello della stampante è deliberatamente sollevato sopra il collettore per fornire un punto di accesso visivo ideale per il monitoraggio in-process durante la stampa rispetto ad altre tecnologie di stampa 3D, ha affermato Hutmacher.
Per fornire alla stampante MEW “gli occhi e il cervello che finora gli mancavano”, il team sta abbinando la sua stampante MEW 3D a sistemi di visione artificiale e apprendimento automatico.
Il sistema di visione artificiale visualizza in modo completo il percorso di volo della fibra estrusa per correggere gli errori in tempo reale, mentre il sistema di apprendimento automatico sfrutta tali informazioni per prevedere il diametro della fibra dell’impalcatura e realizzare prodotti finali più accurati, ha affermato Hutmacher.
“La lavorazione di materiali ad alte prestazioni come i biomateriali di grado medico per gli impianti è molto complessa e richiede la messa a punto di tutti i parametri di processo, motivo per cui monitoriamo da vicino il processo di stampa 3D”, ha spiegato. “Utilizzando l’intelligenza artificiale, possiamo valutare questo flusso di dati e identificare le relazioni nascoste tra i parametri di stampa che non sono riconoscibili per l’uomo”.
Osservando l’avanzamento della produzione additiva in metallo dalla prototipazione alla produzione, gli ingegneri hanno riconosciuto che un fattore chiave in questa transizione era l’implementazione della visione artificiale, un metodo di monitoraggio e analisi in-process che fornisce dati in tempo reale durante il processo di stampa.
Per la stampa 3D in metallo, ciò migliora significativamente la qualità e la riproducibilità delle parti prodotte e consente al processo di progredire attraverso i livelli di prontezza tecnologica (TRL). Pertanto, sperano che l’introduzione della visione artificiale nel loro sistema MEW consentirà alla tecnica di raggiungere un livello di controllo del processo in grado di fornire risultati riproducibili e, in definitiva, applicazioni industriali.
Durante lo studio, il team ha dimostrato come la visione artificiale consente l’acquisizione e l’analisi di informazioni visive importanti e sottili per migliorare ed espandere le capacità di precisione di MEW. La stabilità del getto MEW è stata analizzata utilizzando quattro diversi ambienti di campo elettrico che hanno portato a un protocollo di controllo migliorato del campo elettrico della stampante per la produzione di strutture a strati più spessi.
Lo studio ha inoltre evidenziato l’importanza del monitoraggio in tempo reale del volume del cono Taylor, che si riferisce alla forma del cono osservata in un liquido elettricamente conduttivo quando esposto a un campo elettrico, al fine di comprendere, controllare e prevedere meglio le instabilità di stampa per MEW .
L’integrazione della visione artificiale e dell’intelligenza artificiale avvicina anche la tecnologia al controllo a circuito chiuso, accelerando significativamente il suo TRL, hanno affermato i ricercatori.
“È proprio qui che risiede il vantaggio dell’intelligenza artificiale: è in grado di elaborare rapidamente grandi volumi di dati, un compito troppo monotono e quindi difficile per il cervello umano”, ha affermato Hutmacher. “Questi nuovi progressi hanno il potenziale per trasformare le stampanti MEW che ora saranno in grado di produrre in modo additivo dispositivi medici e impianti che non sono mai stati stampati prima”.
Ulteriori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato: “Convergence of machine vision and Melt Electrowriting” , pubblicato sulla rivista Advanced Materials. Lo studio è co-autore di P. Mieszczanek, T. Robinson, P. Dalton e D. Hutmacher.
