Přelomová 3D tisková technika vytváří roboty v jednom kroku

Tým inženýrů z UCLA vyvinul novou 3D tiskovou techniku a návrhovou strategii, která umožňuje stavět roboty v jednom jediném kroku.

Nová studie, která demonstruje, jak lze roboty sestavit a jak mohou chodit, manévrovat a skákat, byla zveřejněna v Science.

Přelomový 3D tiskový proces

Nová technika zahrnuje 3D tiskový proces pro inženýrské aktivní materiály s více funkcemi, nebo „metamateriály“. Umožňuje výrobu celého mechanického a elektronického systému potřebného pro provoz robota najednou. Po dokončení „meta-robota“ pomocí 3D tisku může vykonávat pohyb, pohon, snímání a rozhodování.

Tisknuté materiály se skládají z vnitřní sítě senzorických, pohybujících se a strukturálních prvků, které se po naprogramování pohybují samy o sobě. Protože tato vnitřní síť je spojena v jednom místě, zbývá pouze vyrobit jeden vnější komponent – malou baterii pro napájení robota.

Xiaoyu (Rayne) Zheng je hlavním autorem studie a docentem stavebního a environmentálního inženýrství, stejně jako mechanického a aerokosmického inženýrství na UCLA Samueli School of Engineering.

“Představujeme si, že tato návrhová a tisková metodologie inteligentních robotických materiálů pomůže realizovat třídu autonomních materiálů, které by mohly nahradit současný složitý proces montáže robota,” řekl Zheng. “S komplexními pohyby, více způsoby snímání a programovatelnými rozhodovacími schopnostmi, které jsou všechny těsně integrovány, je to podobné biologickému systému s nervy, kostmi a šlachami, které pracují společně, aby provedly řízené pohyby.”

Možné aplikace

Tým integroval palubní baterii a řadič, aby vytvořil plně autonomní 3D tištěné roboty. Každý z robotů je velikosti nehtu, a podle Zhengova názoru by tato nová metoda mohla vést k novým návrhům pro biomedicínské roboty. Jedním z takových biomedicínských robotů by mohl být plavecký robot, který se autonomně pohybuje v blízkosti krevních cév, aby doručil léky na cílová místa v těle.

Další aplikací 3D tištěných robotů je jejich vyslání do nebezpečných prostředí, jako je zřícené budovy, kde může hejno robotů přístupovat do úzkých prostor. Tyto meta-roboty by pak mohly vyhodnotit úroveň ohrožení a pomoci při záchranných pracích.

Toto je významný průlom v oblasti robotiky, protože většina současných robotů vyžaduje řadu složitých výrobních kroků pro jejich sestavení. Tento proces vede k těžším, objemnějším a slabším robotům.

Pro vývoj nové metody se tým spoléhal na třídu složitých mřížkových materiálů, které mění tvar a směr v reakci na elektrické pole. Tyto materiály mohou také vytvářet elektrický náboj v důsledku fyzických sil.

Vývoj nových robotických materiálů

Robotické materiály vyvinuté týmem jsou velikosti penny a skládají se z strukturálních prvků, které jim pomáhají ohýbat, točit, rozšiřovat, smršťovat nebo otáčet se vysokou rychlostí.

Kromě toho tým zveřejnil metodologii, která může být použita pro návrh robotických materiálů, umožňující uživatelům vytvářet své vlastní modely.

Hauchen Cui je hlavní autor studie a postdoktorální výzkumník v Zhengově laboratoři Additive Manufacturing and Metamaterials.

“To umožňuje umístit aktivační prvky přesně po celém robotu pro rychlé, komplexní a prodloužené pohyby na různých typech terénu,” řekl Cui. “S dvoucestným piezoelektrickým efektem mohou robotické materiály také samy snímávat své deformace, detekovat překážky pomocí ozvěn a ultrazvukových emisí, stejně jako reagovat na vnější podněty prostřednictvím zpětné vazby, která určuje, jak se robot pohybuje, jak rychle se pohybuje a směrem k jakému cíli se pohybuje.”

Tým použil metodu k vybudování tří různých meta-robotů, demonstrujících různé schopnosti:

1. Meta-robot, který naviguje kolem S-tvarových rohů a náhodně umístěných překážek
2. Meta-robot, který může uniknout v reakci na kontakt
3. Meta-robot, který chodí po nerovném terénu a dělá malé skoky

Tato nová 3D tisková technika bude hrát významnou roli v oblasti robotiky, pomáhající učinit konstrukci takových robotů mnohem efektivnější.

Tato průlomová výzkum také zahrnovala autory Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu a Haotian Lu, kteří jsou postgraduální studenti; Ariel Calderon, postdoktorální výzkumník; Zhen Wang, vývojový inženýrský asistent; Sheyda Davaria, výzkumný asistent na Virginii Tech; Patrick Mercier, docent elektrotechniky a počítačového inženýrství na UC San Diego; a Pablo Tarazaga, profesor mechanického inženýrství na Texas A&M University.