تقنية طابعة ثلاثية الأبعاد ثورية تبني الروبوتات في خطوة واحدة

فريق من المهندسين في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس طور تقنية طابعة ثلاثية الأبعاد جديدة وإستراتيجية تصميم تمكن من بناء الروبوتات في خطوة واحدة.

الدراسة الجديدة، التي تظهر كيف يمكن بناء الروبوتات وسيرها وتوجيهها وقفزها، تم نشرها في ساينس.

عملية الطابعة ثلاثية الأبعاد الثورية

تتضمن التقنية الجديدة عملية طابعة ثلاثية الأبعاد للمواد النشطة الهندسية متعددة الوظائف، أو “المواد المتحولة”. تتيح تصنيع جميع الأنظمة الميكانيكية والإلكترونية المطلوبة لتشغيل روبوت في وقت واحد. بعد طابعة “ميتا-البوت”، يمكنه تنفيذ الحركة والدفع والحس والاتخاذ القرارات.

المواد المطبوعة تتكون من شبكة داخلية من العناصر الحسية والمتحركة والهيكلية التي تتحرك بشكل tự động بعد البرمجة. بسبب أن هذه الشبكة الداخلية تجمعت في مكان واحد، كل ما تبقى هو إنتاج مكون خارجي واحد – البطارية الصغيرة لتزويد الروبوت بالطاقة.

Xiaoyu (Rayne) Zheng هو الباحث الرئيسي في الدراسة وأستاذ مساعد في الهندسة المدنية والبيئية، بالإضافة إلى الهندسة الميكانيكية والفضائية في مدرسة الهندسة سامويلي في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس.

“نحن نتطلع إلى أن تساعد هذه التصميم والطريقة الطابعة للمواد الروبوتية الذكية على تحقيق فئة من المواد المستقلة التي يمكن أن تحل محل عملية التجميع المعقدة الحالية لصنع روبوت،” قال Zheng. “مع حركات معقدة وعدة طرق للحس والاتخاذ القرارات المبرمجة، فهي تشبه النظام البيولوجي مع الأعصاب والعظام والأوتار التي تعمل معًا لتنفيذ حركات خاضعة للسيطرة.”

التطبيقات المحتملة

دمج الفريق بطارية ومتحكم داخليين لصنع روبوتات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مستقلّة تمامًا. كل واحد من الروبوتات بحجم إصبع، ووفقًا ل郑، يمكن أن تؤدي هذه الطريقة الجديدة إلى تصاميم جديدة للروبوتات الطبية. واحد من هذه الروبوتات الطبية يمكن أن يكون روبوتًا يسبح الذي يتنقل بشكل مستقل بالقرب من الأوعية الدموية لتسليم الأدوية في المواقع المستهدفة في الجسم.

تطبيق آخر للروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد هو إرسالها إلى البيئات الخطرة، مثل مبنى منهار، حيث يمكن أن تصل مجموعة منهم إلى الفراغات الضيقة. يمكن أن تقيّم هذه الميتا-البوتات مستويات التهديد وتساعد في جهود الإنقاذ.

هذا اختراق كبير في مجال الروبوتات، حيث أن معظم الروبوتات الحالية تتطلب سلسلة من الخطوات التصنيعية المعقدة لتشييدها. يؤدي هذا إلى روبوتات أثقل وأكبر وأضعف.

للتطوير هذه الطريقة الجديدة، اعتمد الفريق على فئة من المواد الشبكية المعقدة التي تتغير الشكل والاتجاه استجابة لحقل كهربائي. يمكنها أيضًا إنشاء شحنة كهربائية نتيجة للقوى المادية.

تطوير مواد روبوتية جديدة

المواد الروبوتية التي طورها الفريق بحجم سنتيمتر واحد فقط وتتكون من عناصر هيكلية تساعد على الانحناء واللف والتوسيع والانكماش أو الدوران بسرعات عالية.

على رأس كل هذا، أصدر الفريق منهجية يمكن استخدامها لتصميم المواد الروبوتية، مما يسمح للمستخدمين بإنشاء نماذجهم الخاصة.

Hauchen Cui هو مؤلف الدراسة الرئيسي وزميل ما بعد الدكتوراه في مختبر Zheng للتصنيع الإضافي والمواد المتحولة.

“هذا يسمح بعرض عناصر التفعيل بدقة في جميع أنحاء الروبوت من أجل حركات سريعة ومعقدة وممتدة على أنواع مختلفة من التضاريس،” قال Cui. “مع التأثير الكهربائي المزدوج، يمكن للمواد الروبوتية أيضًا اكتشاف انحناءاتها، اكتشاف العقبات عبر الصوت والصدى،以及 الاستجابة للتحفيز الخارجي من خلال حلقة تغذية راجعة تحدد كيفية تحرك الروبوتات، وكيفية تحركها بسرعة، وكيفية تحركها نحو الهدف.

استخدم الفريق هذه الطريقة لبناء ثلاثة روبوتات مختلفة تظهر قدرات مختلفة:

1. روبوت يتنقل حول زوايا S وموانع عشوائية
2. روبوت يمكنه الهروب استجابة لتأثير الاتصال
3. روبوت يمر على تضاريس خشنه ويقوم بقفزات صغيرة

ستلعب هذه التقنية الجديدة للطابعة ثلاثية الأبعاد دورًا مهمًا في مجال الروبوتات، مما يساعد على جعل بناء هذه الروبوتات أكثر كفاءة.

تضمنت هذه الأبحاث أيضًا مؤلفين آخرين هم Desheng Yao و Ryan Hensleigh و Zhenpeng Xu و Haotian Lu، وهم طلاب دراسات عليا؛ Ariel Calderon، باحث ما بعد الدكتوراه؛ Zhen Wang، مساعد هندسة التطوير؛ Sheyda Davaria، باحث في جامعة فرجينيا تيك؛ Patrick Mercier، أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية والحاسوب في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو؛ و Pablo Tarazaga، أستاذ في الهندسة الميكانيكية في جامعة تكساس A&M.