Robotica
Doorbraak 3D-printtechniek bouwt robots in één stap
Een team van ingenieurs aan de UCLA heeft een nieuwe 3D-printtechniek en ontwerpstrategie ontwikkeld die het mogelijk maakt om robots in één enkele stap te bouwen.
De nieuwe studie, die aantoont hoe de robots kunnen worden geconstrueerd en kunnen lopen, manoeuvreren en springen, is gepubliceerd in Science.
Doorbraak 3D-printproces
De nieuwe techniek omvat een 3D-printproces voor geëngineerde actieve materialen met meerdere functies, of ‘metamaterialen’. Het maakt het mogelijk om de hele mechanische en elektronische systemen die nodig zijn voor het bedienen van een robot in één keer te produceren. Nadat de ‘meta-bot’ is geprint, kan hij beweging, aandrijving, sensing en besluitvorming uitvoeren.
De geprinte materialen bestaan uit een intern netwerk van sensorische, bewegende en structurele elementen die zichzelf verplaatsen nadat ze zijn geprogrammeerd. Omdat dit interne netwerk op één plaats wordt samengebracht, hoeft er alleen nog één extern onderdeel te worden geproduceerd – de kleine batterij om de robot te laten werken.
Xiaoyu (Rayne) Zheng is de hoofdonderzoeker van de studie en een associate professor in de civiele en milieutechniek, evenals mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de UCLA Samueli School of Engineering.
“We zien voor ons dat deze ontwerp- en printmethodologie van slimme robotmaterialen zal helpen om een klasse van autonome materialen te realiseren die het huidige complexe assemblageproces voor het maken van een robot kunnen vervangen”, zei Zheng. “Met complexe bewegingen, meerdere modi van sensing en programmeerbare besluitvormingsmogelijkheden die allemaal nauw geïntegreerd zijn, is het vergelijkbaar met een biologisch systeem met zenuwen, botten en pezen die samenwerken om gecontroleerde bewegingen uit te voeren.”
Mogelijke toepassingen
Het team heeft een onboard-batterij en controller geïntegreerd om volledig autonome 3D-geprinte robots te maken. Elke robot is ter grootte van een vingernagel, en volgens Zheng kan deze nieuwe methode leiden tot nieuwe ontwerpen voor biomedische robots. Een dergelijke biomedische robot kan een zwemmende bot zijn die autonoom navigeert bij bloedvaten om medicijnen af te leveren op doelwitlocaties in het lichaam.
Een andere toepassing van de 3D-geprinte bots is om ze te sturen naar gevaarlijke omgevingen, zoals een ingestort gebouw, waar een zwerm van hen toegang kan krijgen tot smalle ruimtes. Deze meta-bots kunnen dan de dreigingsniveaus beoordelen en helpen bij reddingsinspanningen.
Dit is een belangrijke doorbraak in het veld van robotica, aangezien de meeste huidige robots een reeks complexe fabricagestappen vereisen om ze te construeren. Dit proces resulteert in zwaardere, omvangrijkere en zwakkere robots.
Om de nieuwe methode te ontwikkelen, vertrouwde het team op een klasse van ingewikkelde lattice-materialen die van vorm en richting veranderen in reactie op een elektrisch veld. Ze kunnen ook een elektrische lading creëren als gevolg van fysieke krachten.
Ontwikkeling van nieuwe robotmaterialen
De robotmaterialen die door het team zijn ontwikkeld, zijn slechts ter grootte van een penny en bestaan uit structurele elementen die helpen om te buigen, te draaien, uit te breiden, samen te trekken of te roteren op hoge snelheden.
Bovendien heeft het team een methodologie vrijgegeven die kan worden gebruikt om de robotmaterialen te ontwerpen, waardoor gebruikers hun eigen modellen kunnen maken.
Hauchen Cui is de hoofdauteur van de studie en een UCLA-postdoctoraal onderzoeker in Zheng’s Additive Manufacturing and Metamaterials Lab.
“Dit stelt activerende elementen in staat om precies over de hele robot te worden gerangschikt voor snelle, complexe en uitgebreide bewegingen op verschillende soorten terrein”, zei Cui. “Met het tweerichtingspiezo-elektrische effect kunnen de robotmaterialen ook hun eigen verwringing zelf detecteren, obstakels detecteren via echo’s en ultrasound-emissies, evenals reageren op externe stimuli via een feedbackcontrolelus die bepaalt hoe de robots bewegen, hoe snel ze bewegen en naar welk doelwit ze bewegen.”
Het team heeft de methode gebruikt om drie verschillende meta-bots te bouwen die verschillende mogelijkheden demonstreren:
- Meta-bot die navigeert rondom S-vormige hoeken en willekeurig geplaatste obstakels
- Meta-bot die kan ontsnappen in reactie op een contactimpact
- Meta-bot die over ruw terrein loopt en kleine sprongen maakt
Deze nieuwe 3D-printtechniek zal een belangrijke rol spelen in het veld van robotica, waardoor de constructie van dergelijke robots veel efficiënter wordt.
Dit baanbrekende onderzoek omvatte ook auteurs Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu en Haotian Lu, die graduate students zijn; Ariel Calderon, een postdoctoraal onderzoeker; Zhen Wang, development engineering associate; Sheyda Davaria, een onderzoeksmedewerker aan Virginia Tech; Patrick Mercier, associate professor of electrical and computer engineering aan UC San Diego; en Pablo Tarazaga, professor of mechanical engineering aan Texas A&M University.
