Przełomowa technika druku 3D do budowy robotów 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 poruszać się, manewrować i skakać, zostało opublikowane w Science.

Przełomowa technika druku 3D

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

Wydrukowane materiały składają się z wewnętrznej sieci sensorycznych, ruchomych i strukturalnych elementów, które poruszają się same po zaprogramowaniu. Ponieważ ta wewnętrzna sieć jest połączona w jednym miejscu, wszystko, co pozostaje do zrobienia, to wytworzenie jednego zewnętrznego komponentu – małej baterii, która zasilą robota.

Xiaoyu (Rayne) Zheng jest głównym badaczem tego studium i adiunktem na wydziale inżynierii lądowej i środowiskowej, a także inżynierii mechanicznej i lotniczej w UCLA Samueli School of Engineering.

“Widzimy, że ta metoda projektowania i 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 decyzyjnymi, wszystko to jest ściśle zintegrowane, podobnie jak w systemie biologicznym, gdzie nerwy, kości i ścięgna pracują razem, aby wykonać kontrolowane ruchy.”

Potencjalne zastosowania

Zespół zintegrował 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 projektów robotów biomedycznych. Jednym z takich robotów biomedycznych może być pływający robot, który porusza się samodzielnie w pobliżu naczyń krwionośnych, aby dostarczyć leki w określonych miejscach w organizmie.

Innym zastosowaniem wydrukowanych robotów jest wysłanie ich do niebezpiecznych środowisk, takich jak zawalony budynek, gdzie mogą one dostępować do wąskich przestrzeni. Te meta-boty mogą ocenić poziom zagrożenia i pomóc w akcjach ratunkowych.

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

Aby opracować nową metodę, zespół oparł się na klasie złożonych 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 zgiąć, skręcić, rozciągnąć, 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 postdoktorantem w laboratorium Zheng w UCLA.

“To pozwala na umieszczenie elementów aktywnych w robotach w sposób precyzyjny, aby umożliwić szybkie, złożone i przedłużone ruchy na różnych rodzajach terenu,” powiedział Cui. “Z dwukierunkowym efektem piezoelektrycznym materiały robocze mogą również samoczynnie wykrywać swoje skręcenia, wykrywać przeszkody za pomocą ech i emisji ultradźwiękowych, a także reagować na bodźce zewnętrzne za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego, która określa, jak roboty poruszają się, z jaką prędkością i w kierunku jakiego celu.”

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

1. Meta-bot, który porusza się 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, postdoktorant; Zhen Wang, associate inżyniera rozwoju; Sheyda Davaria, associate badawcza na Virginia Tech; Patrick Mercier, associate professor inżynierii elektrycznej i komputerowej na UC San Diego; i Pablo Tarazaga, professor inżynierii mechanicznej na Texas A&M University.