Robotikk
Gjennombrudd i 3D-utskriftsteknikk bygger roboter i ett enkelt trinn
Et team av ingeniører ved UCLA har utviklet en ny 3D-utskriftsteknikk og designstrategi som gjør det mulig å bygge roboter i ett enkelt trinn.
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 innebærer en 3D-utskriftsprosess for konstruerte aktive materialer med flere funksjoner, eller ‘metamaterialer’. Den gjør det mulig å produsere hele de mekaniske og elektroniske systemene som er nødvendige for å drive en robot på én gang. Etter at ‘meta-bot’en er blitt 3D-utskrevet, kan den utføre bevegelse, fremdrift, sansning og beslutning.
De utskrevne materialene består av et internettverk av sanse-, bevegelses- og strukturkomponenter 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 associate 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 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 sanse og programmerbar beslutningsevne 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 innbygd 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 til målsteder i kroppen.
En annen anvendelse av de 3D-utskrevne botene er å sende dem inn i farlige miljøer, som et sammenrast bygning, hvor en sværm av dem kan nå små rom. Disse meta-botene kunne da vurdere trusselnivåer og assistere i redningsarbeidet.
Dette er et større gjennombrudd i robotikkfeltet, 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, baserte teamet seg på 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 strukturkomponenter som hjelper dem å bøye, vri, utvide, trekke sammen eller rotere med høye hastigheter.
I tillegg til alt dette, har teamet lansert en metode som kan brukes til å designe robotmaterialene, og som gjør det mulig for brukerne å lage sine egne modeller.
Hauchen Cui er studiens hovedforfatter og en postdoktor ved UCLA i Zhengs Additive Manufacturing and Metamaterials Lab.
“Dette gjør det mulig å plassere aktiveringskomponenter nøyaktig over hele roboten for rask, kompleks og utvidet bevegelse på ulike typer terreng,” sa Cui. “Med den toveisk piezoelektriske effekten, kan de robotiske materialene også sanse sine egne forvridninger, detektere hindringer via ekko og ultralydutsendelse, 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 brukte metoden til å bygge tre forskjellige meta-boter som demonstrerer ulike evner:
- Meta-bot som navigerer rundt S-formede hjørner og tilfeldig plasserte hindringer
- Meta-bot som kan unnslippe i respons til en kontaktimpakt
- Meta-bot som går over ujevn terreng og tar små hopp
Denne nye 3D-utskriftsteknikken vil spille en stor rolle i robotikkfeltet, og hjelpe med å gjøre konstruksjonen av slike roboter mye 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, associate professor i elektrisk og datateknikk ved UC San Diego; og Pablo Tarazaga, professor i mekanisk ingeniørving ved Texas A&M University.
