Gjennombrudd i 3D-utskriftsteknikk bygger roboter i ett enkelt steg

Et team av ingeniører ved UCLA har utviklet en ny 3D-utskriftsteknikk og designstrategi som muliggjør at roboter kan bygges i ett enkelt steg.

Den nye studien, som viser hvordan robotene kan konstrueres og gå, manøvrere og hoppe, ble publisert i Science.

Gjennombrudd i 3D-utskriftsprosess

Den nye teknikken involverer en 3D-utskriftsprosess for konstruerte aktive materialer med flere funksjoner, eller ‘metamaterialer’. Den muliggjør produksjon av hele mekaniske og elektroniske systemer som er nødvendige for å operere en robot på en gang. Etter at ‘meta-bot’en er blitt 3D-utskrevet, kan den utføre bevegelse, fremdrift, sanntid og beslutning.

De utskrevne materialene består av et internettverk av sanntids-, bevegelige og strukturerte elementer som beveger seg selv etter å ha blitt programmert. Fordi dette interne nettverket er samlet på ett sted, er alt som gjenstår å gjøre å produsere en enkelt ekstern komponent — den lille batterien som driver roboten.

Xiaoyu (Rayne) Zheng er hovedforskeren på studien og en assosiert professor i sivil- og miljøingeniørving, samt mekanisk og romfartsingeniørving ved UCLA Samueli School of Engineering.

“Vi forestiller oss at denne design- og utskriftsmetoden for smarte robotmaterialer vil hjelpe med å realisere en klasse av autonome materialer som kan erstatte den nåværende komplekse monteringsprosessen for å lage en robot,” sa Zheng. “Med komplekse bevegelser, flere måter å sanntid og programmerbare beslutningsmuligheter alle tett integrert, er det likt et biologisk system med nervene, beinene og senene som arbeider sammen for å utføre kontrollerte bevegelser.”

Potensielle anvendelser

Teamet integrerte en innebygd batteri og kontroller for å lage fullstendig autonome 3D-utskrevne roboter. Hver av robotene er på størrelse med en fingernegl, og ifølge Zheng, kan denne nye metoden føre til nye design for biomedisinske roboter. En slik biomedisinsk robot kunne være en svømmende robot som navigerer autonomt nær blodårer for å levere medisiner på målrettede steder i kroppen.

En annen anvendelse av de 3D-utskrevne botene er å sende dem inn i farlige miljøer, som et kollapset bygning, hvor en sværm av dem kan nå små rom. Disse meta-botene kunne da vurdere trusselnivå og assistere i redningsarbeid.

Dette er et stort gjennombrudd i feltet robotikk, siden de fleste av de nåværende robotene krever en rekke komplekse produksjonssteg for å konstruere dem. Denne prosessen resulterer i tyngre, bulkere og svakere roboter.

For å utvikle den nye metoden, la teamet til en klasse av intrikate gittermaterialer som endrer form og retning i respons til et elektrisk felt. De kan også skape en elektrisk ladning som et resultat av fysiske krefter.

Utvikling av nye robotmaterialer

De robotmaterialene som er utviklet av teamet er bare på størrelse med en penny og består av strukturerte elementer som hjelper dem å bøye, vri, utvide, trekke sammen eller rotere med høye hastigheter.

I tillegg har teamet lansert en metode som kan brukes til å designe robotmaterialene, som muliggjør at brukerne kan lage sine egne modeller.

Hauchen Cui er studiens hovedforfatter og en postdoktor ved UCLA i Zhengs Additive Manufacturing and Metamaterials Lab.

“Dette muliggjør at aktiverings-elementer kan plasseres nøyaktig i roboten for rask, kompleks og utvidet bevegelse på ulike typer terreng,” sa Cui. “Med den to-veisk piezoelektriske effekten, kan robotmaterialene også sanntid deres forvridninger, detektere hindringer via ekko og ultralyd-emisjoner, samt reagere på ytre stimuli gjennom en feedback-kontrolløkke som bestemmer hvordan robotene beveger seg, hvor raskt de beveger seg og mot hvilket mål de beveger seg.”
Teamet har brukt metoden til å bygge tre forskjellige meta-boter som demonstrerer forskjellige evner:

1. Meta-bot som navigerer rundt S-formede hjørner og tilfeldig plasserte hindringer
2. Meta-bot som kan unnslippe i respons til en kontakt-impakt
3. Meta-bot som kan gå over ujevn terreng og gjøre små hopp

Denne nye 3D-utskriftsteknikken vil spille en stor rolle i feltet robotikk, og vil hjelpe med å gjøre konstruksjonen av slike roboter langt mer effektiv.

Dette gjennombruddsforskningen inkluderte også forfattere Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu og Haotian Lu, som er studenter; Ariel Calderon, en postdoktor; Zhen Wang, utviklingsingeniør; Sheyda Davaria, en forskningsassistent ved Virginia Tech; Patrick Mercier, professor i elektrisk og datateknikk ved UC San Diego; og Pablo Tarazaga, professor i mekanisk ingeniørving ved Texas A&M University.