Tecnica di stampa 3D innovativa costruisce robot in un solo passaggio

Un team di ingegneri alla UCLA ha sviluppato una nuova tecnica di stampa 3D e una strategia di progettazione che consente di costruire robot in un solo passaggio.

Lo studio, che dimostra come i robot possano essere costruiti e camminare, manovrare e saltare, è stato pubblicato in Science.

Processo di stampa 3D innovativo

La nuova tecnica prevede un processo di stampa 3D per materiali attivi ingegnerizzati con più funzioni, o ‘metamateriali’. Consente la produzione dell’intero sistema meccanico ed elettronico necessario per il funzionamento di un robot in una sola volta. Dopo che il ‘meta-bot’ è stato stampato in 3D, può eseguire movimenti, propulsione, sensazione e decision-making.

I materiali stampati sono composti da una rete interna di elementi sensoriali, mobili e strutturali che si muovono da soli dopo essere stati programmato. Poiché questa rete interna è riunita in un unico luogo, non rimane altro da fare che produrre un unico componente esterno – la piccola batteria per alimentare il robot.

Xiaoyu (Rayne) Zheng è il principale ricercatore dello studio e professore associato di ingegneria civile e ambientale, nonché ingegneria meccanica e aerospaziale alla UCLA Samueli School of Engineering.

“Noi prevediamo che questa progettazione e metodologia di stampa di materiali robotici intelligenti aiuterà a realizzare una classe di materiali autonomi che potrebbero sostituire l’attuale processo di assemblaggio complesso per la costruzione di un robot”, ha detto Zheng. “Con movimenti complessi, più modalità di sensazione e capacità di decision-making programmabile tutte strettamente integrate, è simile a un sistema biologico con i nervi, le ossa e i tendini che lavorano insieme per eseguire movimenti controllati.”

Applicazioni potenziali

Il team ha integrato una batteria e un controller a bordo per creare robot completamente autonomi stampati in 3D. Ognuno dei robot è delle dimensioni di un’unghia, e secondo Zheng, questo nuovo metodo potrebbe portare a nuove progettazioni per robot biomedici. Un tale robot biomedico potrebbe essere un robot nuotatore che naviga autonomamente vicino ai vasi sanguigni per consegnare farmaci ai siti bersaglio nel corpo.

Un’altra applicazione dei robot stampati in 3D è quella di inviarli in ambienti pericolosi, come un edificio crollato, dove uno sciame di essi può accedere a spazi stretti. Questi meta-bot potrebbero quindi valutare i livelli di minaccia e assistere negli sforzi di salvataggio.

Questo è un grande passo avanti nel campo della robotica, poiché la maggior parte dei robot attuali richiede una serie di passaggi di produzione complessi per costruirli. Questo processo risulta in robot più pesanti, più ingombranti e più deboli.

Per sviluppare il nuovo metodo, il team ha fatto affidamento su una classe di materiali a reticolo intricati che cambiano forma e direzione in risposta a un campo elettrico. Possono anche creare una carica elettrica come risultato di forze fisiche.

Sviluppo di nuovi materiali robotici

I materiali robotici sviluppati dal team sono delle dimensioni di una moneta da un centesimo e sono composti da elementi strutturali che li aiutano a piegarsi, torcere, espandere, contrarre o ruotare ad alta velocità.

Inoltre, il team ha rilasciato una metodologia che può essere utilizzata per progettare i materiali robotici, consentendo agli utenti di creare i propri modelli.

Hauchen Cui è l’autore principale dello studio e uno studioso post-dottorato alla UCLA nel laboratorio di Additive Manufacturing and Metamaterials di Zheng.

“Ciò consente di disporre gli elementi di attuazione in modo preciso in tutto il robot per movimenti veloci, complessi ed estesi su vari tipi di terreno”, ha detto Cui. “Con l’effetto piezoelettrico bidirezionale, i materiali robotici possono anche auto-sensare le loro contorsioni, rilevare ostacoli tramite echi e emissioni di ultrasuoni, nonché rispondere a stimoli esterni attraverso un ciclo di controllo di feedback che determina come si muovono i robot, quanto velocemente si muovono e verso quale bersaglio si muovono.”

Il team ha utilizzato il metodo per costruire tre diversi meta-bot che dimostrano diverse capacità:

1. Meta-bot che naviga intorno a angoli a forma di S e ostacoli posizionati casualmente
2. Meta-bot che può sfuggire in risposta a un impatto di contatto
3. Meta-bot che cammina su terreni accidentati e fa piccoli salti

Questa nuova tecnica di stampa 3D svolgerà un ruolo importante nel campo della robotica, aiutando a rendere la costruzione di tali robot molto più efficiente.

Questa ricerca innovativa includeva anche gli autori Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu e Haotian Lu, che sono studenti di dottorato; Ariel Calderon, uno studioso post-dottorato; Zhen Wang, associato di ingegneria di sviluppo; Sheyda Davaria, un associato di ricerca alla Virginia Tech; Patrick Mercier, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego; e Pablo Tarazaga, professore di ingegneria meccanica al Texas A&M University.