Průlomová technika 3D tisku vytváří roboty v jednom kroku

Tým inženýrů z UCLA vyvinul novou techniku 3D tisku 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. 

Průlomový proces 3D tisku

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 3D tisku „meta-robota“ může vykonávat pohyb, pohonnou jednotku, senzory a rozhodování. 

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

Xiaoyu (Rayne) Zheng je hlavní investigátor studie a asociativní profesor 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 komplexní proces montáže robota,” řekl Zheng. “S komplexními pohyby, několika režimy senzorů a programovatelnými rozhodovacími schopnostmi všechny těsně integrované, je to podobné biologickému systému s nervy, kostmi a šlachami, které pracují v tandemu, aby provedly řízené pohyby.”

Potenciální aplikace

Tým integroval palubní baterii a kontrolér, aby vytvořil plně autonomní 3D tištěné roboty. Každý z robotů je velikosti nehtu, a podle Zheng, tato nová metoda by mohla vést k novým návrhům pro biomedicínské roboty. Jeden takový biomedicínský robot by mohl být plavecký robot, který se autonomně pohybuje poblíž krevních cév, aby doručil léky na cílová místa v těle. 

Další aplikací 3D tištěných robotů je poslat je do nebezpečných prostředí, jako je zřícená budova, kde může hejno z nich přístupných 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. Mohou také vytvářet elektrický náboj jako výsledek fyzických sil. 

Vývoj nových robotických materiálů

Robotické materiály vyvinuté týmem jsou pouze velikosti penny a skládají se ze strukturálních prvků, které jim pomáhají ohýbat se, točit, rozšiřovat, smršťovat nebo rotovat na vysoké rychlosti. 

Navíc tým vydal metodologii, která může být použita pro návrh robotických materiálů, umožňující uživatelům vytvářet své vlastní modely. 

Hauchen Cui je hlavní autor studie a postdoktorální učenec na UCLA v Zhengově Additive Manufacturing and Metamaterials Lab. 

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

Tým použil metodu k vybudování tří různých meta-robotů, které demonstrují 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 s překážkou
3. Meta-robot, který chodí po nerovném terénu a dělá malé skoky

Tato nová technika 3D tisku 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 učenec; Zhen Wang, vývojový inženýrský asistent; Sheyda Davaria, výzkumný asistent na Virginia Tech; Patrick Mercier, asociativní profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství na UC San Diego; a Pablo Tarazaga, profesor mechanického inženýrství na Texas A&M University.