Läpimurto 3D-tulostustekniikka rakentaa roboteja yhdessä vaiheessa

UCLA:n insinööritiimi on kehittänyt uuden 3D-tulostustekniikan ja suunnittelustrategian, joka mahdollistaa robotien rakentamisen yhdessä vaiheessa.

Uusi tutkimus, joka osoittaa, miten robotit voidaan rakentaa ja kävellä, manööverata ja hypätä, on julkaistu Science-julkaisussa.

Läpimurto 3D-tulostusprosessi

Uusi tekniikka käyttää 3D-tulostusprosessia suunniteltujen aktiivisten materiaalien valmistamiseen, joilla on useita toimintoja, eli “metamateriaaleja”. Se mahdollistaa koko robotin mekaanisen ja sähköisen järjestelmän valmistamisen kerran. Kun “meta-robotti” on tulostettu, se voi suorittaa liikkeitä, propulsioita, aistimista ja päätöksentekoa.

Tulostetut materiaalit koostuvat sisäisestä verkostosta aistimis-, liikkeen- ja rakenteellisista elementeistä, jotka liikkuvat itsestään ohjelmoitujen ohjeiden mukaan. Koska tämä sisäinen verkosto on yhdistetty yhteen, ainoastaan yksi ulkoinen komponentti on jäljellä – pieni paristo, joka voittaa robotin.

Xiaoyu (Rayne) Zheng on tutkimuksen päätekijä ja apulaisprofessori siviili- ja ympäristötekniikan sekä mekaniikan ja ilmailutekniikan laitoksella UCLA Samueli School of Engineeringissa.

“Me näemme, että tämä suunnittelumetodologia älykkäistä robotiikka-materiaaleista auttaa toteuttamaan autonomisen materiaalien luokan, joka voi korvata nykyisen monimutkaisen kokoonpanoprosessin robotin valmistamiseksi”, Zheng sanoi. “Monimutkaisilla liikkeillä, useilla aistimistavoilla ja ohjelmoitavilla päätöksentekojärjestelmillä, jotka ovat tiiviisti integroitu, se on samanlainen kuin biologinen järjestelmä, jossa hermot, luut ja jännet toimivat yhdessä suorittaakseen ohjattuja liikkeitä.”

Potential Applications

Tiimi integroi sisäisen pariston ja ohjaimen tehdäkseen täysin itsenäisiä 3D-tulostettuja roboteja. Jokainen robotti on sormenpään kokoisia, ja Zhengin mukaan tämä uusi menetelmä voi johtaa uusiin suunnitelmiin biolääketieteellisiin roboteihin. Yksi tällainen biolääketieteellinen robotti voisi olla uimari-robotti, joka navigoi itsenäisesti lähellä verisuonia toimittamaan lääkkeitä kohdekohteisiin kehossa.

Toinen 3D-tulostettujen robotien sovellus on lähettää niitä vaarallisiin ympäristöihin, kuten romahtaneeseen rakennukseen, jossa parvi niistä voi päästä ahtaisiin tiloihin. Nämä meta-robotit voivat arvioida uhkaustasoa ja avustaa pelastustoimissa.

Tämä on merkittävä läpimurto robotiikan alalla, koska useimmat nykyiset robotit vaativat monimutkaisia valmistusvaiheita. Tämä prosessi johtaa raskaampiin, kömpimmpiin ja heikompiin roboteihin.

Kehittääkseen uuden menetelmän tiimi luotti monimutkaisiin lattice-materiaaleihin, jotka muuttavat muotoa ja suuntaa sähkökentän vaikutuksesta. Ne voivat myös luoda sähköisen varauksen fyysisten voimien seurauksena.

Developing New Robotic Materials

Tiimin kehittämät robotiikka-materiaalit ovat vain sentin kokoisia ja koostuvat rakenteellisista elementeistä, jotka auttavat niitä taipumaan, kiertymään, laajentumaan, supistumaan tai pyörimään suurilla nopeuksilla.

Lisäksi tiimi julkaisi metodologian, jota voidaan käyttää suunnittelemaan robotiikka-materiaaleja, mikä mahdollistaa käyttäjien luoda oman mallinsa.

Hauchen Cui on tutkimuksen pääkirjoittaja ja UCLA:n jatko-opiskelija Zhengin Additive Manufacturing and Metamaterials Labissa.

“Tämä mahdollistaa toimintaelementtien asettamisen tarkasti robotin ympärille nopeille, monimutkaisille ja laajalle alueelle liikkeille erilaisilla maastoilla”, Cui sanoi. “Kaksisuuntaisen piezoelektrisen vaikutuksen ansiosta robotiikka-materiaalit voivat myös itse aistia muotoaan, havaita esteitä kaikujen ja ultraäänen avulla sekä reagoida ulkoisiin ärsykkeisiin palautusohjaus silmukassa, joka määrää, miten robotit liikkuvat, kuinka nopeasti ne liikkuvat ja mihin kohdekohteeseen ne liikkuvat.”

Tiimi käytti menetelmää rakentamaan kolme erilaista meta-robottia, joilla on erilaiset kyvyt:

1. Meta-robotti, joka navigoi S-muotoisten kulmien ja satunnaisesti sijoitettujen esteiden ympärillä
2. Meta-robotti, joka voi paeta kosketusvaikutuksen seurauksena
3. Meta-robotti, joka kävelee epätasaisella maastolla ja tekee pieniä hyppyjä

Tämä uusi 3D-tulostustekniikka tulee olemaan merkittävässä roolissa robotiikan alalla, auttaen tehdä robotien rakentamista paljon tehokkaammaksi.

Tämä läpimurto tutkimus sisälsi myös kirjoittajat Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu ja Haotian Lu, jotka ovat jatko-opiskelijoita; Ariel Calderon, jatko-opiskelija; Zhen Wang, kehitysinsinööri; Sheyda Davaria, tutkimusapulainen Virginian teknillisen yliopiston; Patrick Mercier, sähkö- ja tietotekniikan apulaisprofessori UC San Diegossa; ja Pablo Tarazaga, mekaniikan professori Texas A&M -yliopistossa.