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, tai ’metamateriaaleja’. Se mahdollistaa koko robotin mekaanisen ja sähköisen järjestelmän valmistamisen kerran. Kun ’meta-robotti’ on valmistunut, se voi suorittaa liikkeitä, propulsioita, aistimista ja päätöksentekoa. 

Tulostetut materiaalit koostuvat sisäisestä verkostosta aistimis-, liike- ja rakenteellisista elementeistä, jotka liikkuvat itsestään ohjelmoinnin jälkeen. Koska tämä sisäinen verkosto on yhdistetty yhteen paikkaan, ainoastaan yksi ulkoinen komponentti on jäljellä – pieni paristo, joka antaa energian robotille. 

Xiaoyu (Rayne) Zheng on tutkimuksen päätekijä ja apulaisprofessori siviili- ja ympäristötekniikassa sekä mekaniikassa ja ilmailutekniikassa UCLA Samueli School of Engineering -yliopistossa. 

“Me kuvittelemme, että tämä suunnittelu- ja tulostusmenetelmä älykkäistä robotiikka-materiaaleista auttaa toteuttamaan autonomisen materiaalin luokan, joka voisi korvata nykyisen monimutkaisen kokoonpanoprosessin robotin valmistamiseksi”, Zheng sanoi. “Monimutkaisilla liikkeillä, useilla aistimistiloilla ja ohjelmoitavilla päätöksentekijöillä, jotka ovat tiiviisti integroitu, se on samanlainen kuin biologinen järjestelmä, jossa hermot, luut ja jännet ovat täysin täsmässä suorittaakseen ohjattuja liikkeitä.”

Potential Applications

Tiimi integroi sisäänrakennetun pariston ja ohjaimen täysin autonomisten 3D-tulostettujen robotien valmistamiseksi. Jokainen robotti on kynnen kokoisia, ja Zhengin mukaan tämä uusi menetelmä voisi johtaa uusiin suunnitteluun biolääketieteellisille roboteille. Yksi tällainen biolääketieteellinen robotti voisi olla uimari-robotti, joka navigoi itsenäisesti lähellä verisuonia toimittamaan lääkkeitä kohdepaikkoihin 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 uhka-tasoja ja avustaa pelastustoimissa. 

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

Uuden menetelmän kehittämiseksi tiimi turvautui monimutkaisten verkostomateriaalien luokkaan, jotka muuttavat muotoa ja suuntaa sähkökentän vaikutuksesta. Ne voivat myös luoda sähköisen varauksen fyysisten voimien seurauksena. 

Uusien robotti-materiaalien kehittäminen

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

Lisäksi tiimi julkaisi menetelmän, jota voidaan käyttää suunnittelemiseen robotti-materiaaleja, jolloin käyttäjät voivat luoda omat mallinsa. 

Hauchen Cui on tutkimuksen pääkirjoittaja ja UCLA:n postdoc-tutkija Zhengin Additive Manufacturing and Metamaterials Lab -yksikössä. 

“Tämä mahdollistaa toimintaelementtien asettamisen tarkasti robotiin nopeisiin, monimutkaisiin ja laajoihin liikkeisiin 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 takaisinkytkentäsilmukassa, joka määrää, miten robotit liikkuvat, kuinka nopeasti ne liikkuvat ja mihin kohteeseen ne liikkuvat.”

Tiimi käytti menetelmää rakentamaan kolme erilaista meta-robottia, jotka osoittavat erilaisia kykyjä:

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 tekemään robotien rakentamisen paljon tehokkaammaksi. 

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