Técnica de Impressão 3D Revolucionária Constrói Robôs em Uma Etapa

Uma equipe de engenheiros da UCLA desenvolveu uma nova técnica de impressão 3D e estratégia de design que permite que robôs sejam construídos em uma única etapa. 

O novo estudo, que demonstra como os robôs podem ser construídos e andar, manobrar e pular, foi publicado em Science. 

Processo de Impressão 3D Revolucionário

A nova técnica envolve um processo de impressão 3D para materiais ativos projetados com múltiplas funções, ou ‘metamateriais.’ Isso permite a fabricação de todos os sistemas mecânicos e eletrônicos necessários para operar um robô de uma vez. Após o ‘meta-robô’ ser impresso em 3D, ele pode realizar movimento, propulsão, sensoriamento e tomada de decisões. 

Os materiais impressos são compostos por uma rede interna de elementos sensoriais, móveis e estruturais que se movem sozinhos após serem programados. Como essa rede interna é reunida em um só lugar, tudo o que resta a fazer é produzir um único componente externo — a pequena bateria para alimentar o robô. 

Xiaoyu (Rayne) Zheng é o principal investigador do estudo e professor associado de engenharia civil e ambiental, bem como engenharia mecânica e aeroespacial na UCLA Samueli School of Engineering. 

“Nós vislumbramos que essa metodologia de design e impressão de materiais robóticos inteligentes ajudará a realizar uma classe de materiais autônomos que poderiam substituir o atual processo de montagem complexo para fazer um robô,” disse Zheng. “Com movimentos complexos, vários modos de sensoriamento e capacidades de tomada de decisões programáveis, todos fortemente integrados, é semelhante a um sistema biológico com os nervos, ossos e tendões trabalhando em conjunto para executar movimentos controlados.”

Aplicações Potenciais

A equipe integrou uma bateria e controlador a bordo para fazer robôs impressos em 3D totalmente autônomos. Cada um dos robôs tem o tamanho de uma unha, e, de acordo com Zheng, esse novo método pode levar a novos designs para robôs biomédicos. Um desses robôs biomédicos pode ser um robô que nada que navega autonomamente perto de vasos sanguíneos para entregar medicamentos em locais-alvo no corpo. 

Outra aplicação dos robôs impressos em 3D é enviá-los para ambientes perigosos, como um prédio desabado, onde um enxame deles pode acessar espaços apertados. Esses meta-robôs podem então avaliar níveis de ameaça e ajudar nos esforços de resgate. 

Isso é um grande avanço no campo da robótica, pois a maioria dos robôs atuais requer uma série de etapas de fabricação complexas para construí-los. Esse processo resulta em robôs mais pesados, mais volumosos e mais fracos. 

Para desenvolver o novo método, a equipe contou com uma classe de materiais de treliça intricados que mudam de forma e direção em resposta a um campo elétrico. Eles também podem criar uma carga elétrica como resultado de forças físicas. 

Desenvolvendo Novos Materiais Robóticos

Os materiais robóticos desenvolvidos pela equipe têm apenas o tamanho de um centavo e consistem em elementos estruturais que os ajudam a se curvar, torcer, expandir, contrair ou girar a altas velocidades. 

Além disso, a equipe lançou uma metodologia que pode ser usada para projetar os materiais robóticos, permitindo que os usuários criem seus próprios modelos. 

Hauchen Cui é o autor principal do estudo e um bolsista de pós-doutorado na UCLA no Additive Manufacturing and Metamaterials Lab de Zheng. 

“Isso permite que os elementos de atuação sejam dispostos com precisão em todo o robô para movimentos rápidos, complexos e prolongados em vários tipos de terreno,” disse Cui. “Com o efeito piezelétrico bidirecional, os materiais robóticos também podem auto-sensar suas contorções, detectar obstáculos via eco e emissões de ultrassom, bem como responder a estímulos externos por meio de um loop de controle de feedback que determina como os robôs se movem, como se movem e em direção a qual alvo se movem.”

A equipe usou o método para construir três meta-robôs diferentes que demonstram capacidades diferentes:

1. Meta-robô que navega em torno de cantos em forma de S e obstáculos colocados aleatoriamente
2. Meta-robô que pode escapar em resposta a um impacto de contato
3. Meta-robô que caminha sobre terreno irregular e faz pequenos saltos

Essa nova técnica de impressão 3D desempenhará um papel importante no campo da robótica, ajudando a tornar a construção de tais robôs muito mais eficiente. 

Essa pesquisa de ponta também incluiu autores Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu e Haotian Lu, que são estudantes de graduação; Ariel Calderon, um bolsista de pós-doutorado; Zhen Wang, associado de engenharia de desenvolvimento; Sheyda Davaria, uma associada de pesquisa na Virginia Tech; Patrick Mercier, professor associado de engenharia elétrica e computacional na UC San Diego; e Pablo Tarazaga, professor de engenharia mecânica na Texas A&M University.