3Dプリンティング技術のブレークスルー：ロボットを1ステップで構築する

UCLAのエンジニアチームは、新しい3Dプリンティング技術とデザイン戦略を開発し、ロボットを1つのステップで構築できるようにしました。

新しい研究では、ロボットが構築され、歩き、操縦し、ジャンプする方法が示されており、Scienceに掲載されています。

3Dプリンティングプロセスのブレークスルー

新しい技術は、複数の機能を持つエンジニアリングアクティブ材料、または「メタマテリアル」の3Dプリンティングプロセスを伴います。これにより、ロボットを動作させるために必要な機械システムと電子システムを一気に製造できます。『メタボット』が3Dプリンティングされた後、運動、推進、センシング、意思決定を行うことができます。

印刷された材料は、自己移動するプログラム化された感覚、移動、構造要素の内部ネットワークで構成されています。内部ネットワークが1つの場所にまとめられているため、外部コンポーネントとして小さなバッテリーを生成するだけで済みます。

Xiaoyu（Rayne）Zhengは、この研究の主任調査員であり、UCLAサミュエリエンジニアリングスクールの土木環境工学および機械航空工学の准教授です。

「私たちは、このスマートロボット材料のデザインおよび印刷方法論が、ロボットを作るための現在の複雑な組み立てプロセスを置き換える一連の自律材料を実現するのに役立つことを想像しています」とZhengは述べています。「複雑な動き、複数のセンシングモード、プログラム可能な意思決定能力がすべて緊密に統合されており、神経、骨、腱が制御された動きを実行するために連携する生物システムに似ています。」

潜在的な応用

チームは、完全に自律的な3Dプリンティングロボットを作るために、オンボードバッテリーとコントローラーを統合しました。各ロボットは指の爪のサイズで、Zhengによると、この新しい方法は、生体内ロボットの新しいデザインにつながる可能性があります。たとえば、血管の近くで自律的に泳いで薬剤を投与するための生体内ロボットが考えられます。

3Dプリンティングロボットの別の応用例は、崩壊した建物などの危険な環境に送ることです。そこでは、ロボットの群れが狭い空間に入り、脅威レベルを評価し、救助活動を支援できます。

これは、ロボット工学の分野における重要なブレークスルーです。現在のロボットのほとんどは、構築するために複数の複雑な製造ステップを必要とし、これにより重く、かさばり、弱いロボットになります。

新しい方法を開発するために、チームは、電界に応じて形状と方向を変える複雑な格子材料のクラスに依存しました。物理的な力の結果として電気的な電荷も生成できます。

新しいロボット材料の開発

チームによって開発されたロボット材料は、1ペニーほどのサイズで、構造要素で構成されており、高速で曲げ、ねじり、拡張、収縮、または回転することができます。

さらに、チームは、ロボット材料を設計するための方法論を公開し、ユーザーが独自のモデルを作成できるようにしました。

Hauchen Cuiは、研究の第一著者であり、Zhengの付加製造およびメタマテリアル研究所のUCLAポスドク研究員です。

「これにより、ロボット内に動作要素を正確に配置して、さまざまなタイプの地形で高速で複雑な動きを実現できます」とCuiは述べています。「二重の圧電効果により、ロボット材料は自身の歪みを自己感知できます。エコーおよび超音波放射を介して障害物を検出でき、外部刺激に反応してフィードバック制御ループを介してロボットがどのように動き、どれだけ速く動き、どのターゲットに向かって動くかを決定できます。」

チームは、さまざまな機能を示す3つの異なるメタボットを構築するためにこの方法を使用しました:

1. S字型の曲がり角やランダムに配置された障害物を回避するメタボット
2. 接触衝撃に反応して逃げるメタボット
3. 粗い地形を歩き、小さなジャンプをするメタボット

この新しい3Dプリンティング技術は、ロボット工学の分野で重要な役割を果たすことになります。これにより、ロボットの構築がはるかに効率的に行えるようになります。

このブレークスルー研究には、Desheng Yao、Ryan Hensleigh、Zhenpeng Xu、Haotian Luの大学院生、Ariel Calderonのポスドク研究員、Zhen Wangの開発エンジニアリングアソシエイト、Sheyda Davariaのバージニア工科大学の研究アソシエイト、Patrick MercierのUCサンディエゴの電気コンピュータ工学准教授、Pablo TarazagaのテキサスA&M大学の機械工学教授が含まれます。