Przełomowa technika druku 3D buduje roboty w jednym kroku

Zespół inżynierów z UCLA opracował nową technikę druku 3D i strategię projektowania, która umożliwia budowę robotów w jednym kroku.

Nowe badanie, które pokazuje, jak roboty mogą być konstruowane i chodzić, manewrować i skakać, zostało opublikowane w Science.

Przełomowy proces druku 3D

Nowa technika obejmuje proces druku 3D dla zaprojektowanych materiałów aktywnych z wieloma funkcjami, czyli „metamateriałów”. Umożliwia ona wytworzenie całego mechanicznego i elektronicznego systemu niezbędnego do działania robota na raz. Po wydrukowaniu „meta-bota” może on wykonywać ruch, napęd, czujność i podejmowanie decyzji.

Wydrukowane materiały składają się z wewnętrznej sieci sensorycznych, ruchowych i strukturalnych elementów, które poruszają się same po zaprogramowaniu. Ponieważ ta wewnętrzna sieć jest połączona w jednym miejscu, pozostaje tylko wytworzyć jeden zewnętrzny komponent — małą baterię, która zasilą robota.

Xiaoyu (Rayne) Zheng jest głównym badaczem w tym badaniu i associate profesorem inżynierii lądowej i środowiskowej, a także inżynierii mechanicznej i lotniczej w UCLA Samueli School of Engineering.

“Wyobrażamy sobie, że ta konstrukcja i metoda druku materiałów roboczych pomoże zrealizować klasę autonomicznych materiałów, które mogą zastąpić obecny skomplikowany proces montażu robota”, powiedział Zheng. “Z złożonymi ruchami, wieloma trybami czujności i programowalnymi zdolnościami do podejmowania decyzji, wszystko to jest ściśle zintegrowane, podobnie jak system biologiczny, w którym nerwy, kości i ścięgna współpracują, aby wykonać kontrolowane ruchy.”

Potencjalne zastosowania

Zespół zintegrował na pokładzie baterię i kontroler, aby stworzyć w pełni autonomiczne roboty wydrukowane w technice 3D. Każdy z tych robotów ma rozmiar paznokcia, a według Zheng, nowa metoda może prowadzić do nowych konstrukcji robotów biomedycznych. Jednym z takich robotów biomedycznych może być pływający robot, który nawiguje autonomicznie w pobliżu naczyń krwionośnych, aby dostarczyć leki do celu w organizmie.

Innym zastosowaniem wydrukowanych robotów jest wysłanie ich do niebezpiecznych środowisk, takich jak zawalony budynek, gdzie rój z nich może dostać się do wąskich przestrzeni. Te meta-boty mogą następnie ocenić poziom zagrożenia i pomóc w akcjach ratunkowych.

Jest to duży przełom w dziedzinie robotyki, ponieważ większość obecnych robotów wymaga serii skomplikowanych kroków produkcyjnych, aby je zbudować. Proces ten powoduje, że roboty są cięższe, większe i słabsze.

Aby opracować nową metodę, zespół oparł się na klasie intratnych materiałów siatkowych, które zmieniają kształt i kierunek w odpowiedzi na pole elektryczne. Mogą one również tworzyć ładunek elektryczny w wyniku sił fizycznych.

Tworzenie nowych materiałów roboczych

Materiały robocze opracowane przez zespół mają rozmiar tylko penny i składają się z elementów strukturalnych, które pomagają im giąć, skręcać, rozszerzać, kurczyć lub obracać z dużą prędkością.

Ponadto zespół opublikował metodę, która może być użyta do projektowania materiałów roboczych, umożliwiając użytkownikom tworzenie własnych modeli.

Hauchen Cui jest głównym autorem badania i stażystą w UCLA w laboratorium Additive Manufacturing and Metamaterials Zheng.

“To pozwala na umieszczenie elementów napędzających w sposób precyzyjny w całym robocie, aby wykonywać szybkie, złożone i przedłużone ruchy na różnych rodzajach terenu”, powiedział Cui. “Dzięki dwukierunkowemu efektowi piezoelektrycznemu materiały robocze mogą również samoczynnie wykrywać swoje zniekształcenia, wykrywać przeszkody za pomocą ech i emisji ultradźwiękowej, a także reagować na bodźce zewnętrzne za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego, która określa, jak robot się porusza, z jaką prędkością się porusza i w kierunku którego celu się porusza.”

Zespół użył tej metody, aby zbudować trzy różne meta-boty, demonstrujące różne możliwości:

1. Meta-bot, który nawiguje wokół S-kształtnych zakrętów i losowo umieszczonych przeszkód
2. Meta-bot, który może uciec w odpowiedzi na kontakt
3. Meta-bot, który chodzi po nierównym terenie i wykonuje małe skoki

Nowa technika druku 3D odegra ważną rolę w dziedzinie robotyki, pomagając uczynić konstrukcję takich robotów znacznie bardziej efektywną.

To przełomowe badanie obejmowało również autorów Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu i Haotian Lu, którzy są studentami; Ariel Calderon, stażystą; Zhen Wang, development engineering associate; Sheyda Davaria, research associate at Virginia Tech; Patrick Mercier, associate professor of electrical and computer engineering at UC San Diego; i Pablo Tarazaga, professor of mechanical engineering at Texas A&M University.