Gennembrud i 3D-printningsteknik kan bygge robotter i ét trin

Et hold af ingeniører på UCLA har udviklet en ny 3D-printningsteknik og designstrategi, der giver mulighed for at bygge robotter i ét enkelt trin.

Den nye studie, der viser, hvordan robotterne kan konstrueres og gå, manøvrere og hoppe, er offentliggjort i Science.

Gennembrud i 3D-printningsprocessen

Den nye teknik indebærer en 3D-printningsproces til fremstilling af aktive materialer med multiple funktioner, eller ‘metamaterialer’. Den giver mulighed for at fremstille hele den mekaniske og elektroniske systemer, der kræves for at drive en robot, på én gang. Efter at ‘meta-botten’ er blevet 3D-printet, kan den udføre bevægelse, fremdrift, sansning og beslutningstagning.

De trykte materialer består af et internettetværk af sensoriske, bevægelige og strukturelle elementer, der kan bevæge sig selv efter at være programmeret. Fordi dette interne netværk er samlet på ét sted, er der kun behov for at producere en enkelt ekstern komponent – den lille batteri, der driver roboten.

Xiaoyu (Rayne) Zheng er hovedforsker på studiet og adjungeret professor i civil og miljøingeniørvidenskab samt mekanisk og rumfartsingeniørvidenskab på UCLA Samueli School of Engineering.

“Vi forestiller os, at denne design- og printmetode for intelligente robotmaterialer vil hjælpe med at realisere en klasse af autonome materialer, der kan erstatte den nuværende komplekse samlingproces for at lave en robot,” sagde Zheng. “Med komplekse bevægelser, multiple sansningsmuligheder og programmerbare beslutningstagningsevner, der alle er tæt integreret, ligner det en biologisk system med nerver, knogler og sener, der arbejder sammen for at udføre kontrollerede bevægelser.”

Potentiale anvendelser

Holdet integrerede en onboard-batteri og controller for at lave fuldt autonome 3D-printede robotter. Hver af robotterne er størrelsen af en fingernegl, og ifølge Zheng kan denne nye metode føre til nye designs for biomedicinske robotter. En sådan biomedicinsk robot kunne være en svømmende robot, der navigerer autonomet nær blodkar for at levere medicin på målrettede steder i kroppen.

En anden anvendelse af de 3D-printede robotter er at sende dem ind i farlige miljøer, såsom et sammenstyrtet bygning, hvor en sværm af dem kan nå til små rum. Disse meta-robotter kunne derefter vurderer trusselsniveauet og assistere i redningsindsatsen.

Dette er et større gennembrud inden for robotik, da de fleste af de nuværende robotter kræver en række komplekse fremstillingsprocesser for at konstrueres. Denne proces resulterer i tungere, større og svagere robotter.

For at udvikle den nye metode havde holdet brug for en klasse af komplekse gittermaterialer, der kan ændre form og retning i respons til et elektrisk felt. De kan også skabe en elektrisk ladning som følge af fysiske kræfter.

Udvikling af nye robotmaterialer

De robotmaterialer, som holdet har udviklet, er kun størrelsen af en penny og består af strukturelle elementer, der hjælper dem med at bøje, dreje, udvide, kontrahere eller rotere med høj hastighed.

Oven i det hele har holdet udgivet en metode, der kan bruges til at designe robotmaterialerne, hvilket giver brugerne mulighed for at skabe deres egne modeller.

Hauchen Cui er studiets førsteforfatter og en UCLA-postdoktorand i Zhengs Additive Manufacturing and Metamaterials Lab.

“Dette giver mulighed for at arrangere aktiverings-elementer præcist over hele roboten for hurtige, komplekse og udvidede bevægelser på forskellige typer terræn,” sagde Cui. “Med den tovejs piezoelektriske effekt kan de robotiske materialer også selv-sansning deres forvridninger, detektere hindringer via ekkoer og ultralydsemissioner samt reagere på ydre stimuli gennem en feedback-kontrolløkke, der bestemmer, hvordan robotterne bevæger sig, hvor hurtigt de bevæger sig og mod hvilket mål de bevæger sig.”

Holdet har brugt metoden til at bygge tre forskellige meta-robotter, der demonstrerer forskellige evner:

1. Meta-robot, der navigerer rundt om S-formede hjørner og tilfældigt placerede hindringer
2. Meta-robot, der kan undslippe i respons til en kontaktimpuls
3. Meta-robot, der kan gå over ujævnt terræn og lave små hop

Denne nye 3D-printningsteknik vil spille en stor rolle inden for robotik, hvilket vil gøre konstruktionen af sådanne robotter langt mere effektiv.

Dette gennembrudsforskningsarbejde inkluderer også forfatterne Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu og Haotian Lu, der er studerende; Ariel Calderon, en postdoktorand; Zhen Wang, udviklingsingeniør; Sheyda Davaria, en forskningsassistent på Virginia Tech; Patrick Mercier, adjungeret professor i elektro- og datateknik på UC San Diego; og Pablo Tarazaga, professor i mekanisk ingeniørvidenskab på Texas A&M University.