Tehnică de imprimare 3D revoluționară care construiește roboți într-un singur pas

O echipă de ingineri de la UCLA a dezvoltat o nouă tehnică de imprimare 3D și o strategie de proiectare care permite construirea de roboți într-un singur pas.

Noua studie, care demonstrează cum roboții pot fi construiți și pot merge, manevra și sări, a fost publicată în Science.

Proces de imprimare 3D revoluționar

Noua tehnică implică un proces de imprimare 3D pentru materiale active inginerizate cu multiple funcții, sau „metamateriale”. Acesta permite fabricarea întregului sistem mecanic și electronic necesar pentru funcționarea unui robot deodată. După ce „meta-robotul” a fost imprimat în 3D, acesta poate efectua mișcări, propulsie, senzori și luare de decizii.

Materialele imprimate sunt alcătuite dintr-o rețea internă de elemente senzoriale, mobile și structurale care se mișcă singure după ce au fost programate. Deoarece această rețea internă este adusă într-un singur loc, nu mai rămâne decât să se producă o singură componentă externă — o baterie mică pentru a alimenta robotul.

Xiaoyu (Rayne) Zheng este investigatorul principal al studiului și profesor asociat de inginerie civilă și de mediu, precum și de inginerie mecanică și aerospațială la Școala de Inginerie Samueli a UCLA.

“Ne imaginăm că această metodologie de proiectare și imprimare a materialelor robotice inteligente va ajuta la realizarea unei clase de materiale autonome care ar putea înlocui procesul actual de asamblare complexă pentru fabricarea unui robot”, a spus Zheng. “Cu mișcări complexe, multiple moduri de detectare și capacități de luare de decizii programabile, este similar cu un sistem biologic în care nervii, oasele și tendoanele lucrează împreună pentru a executa mișcări controlate.”

Aplikații potențiale

Echipa a integrat o baterie și un controler pe bord pentru a crea roboți imprimați în 3D complet autonomi. Fiecare dintre roboți are dimensiunea unghiei, iar conform lui Zheng, această nouă metodă ar putea duce la noi proiecte pentru roboți biomedicali. Un astfel de robot biomedical ar putea fi un robot de înot care navighează autonom în apropierea vaselor de sânge pentru a livra medicamente la țintă în corp.

O altă aplicație a roboților imprimați în 3D este de a-i trimite în medii periculoase, cum ar fi o clădire prăbușită, unde o mulțime de roboți pot accesa spații strâmte. Acești meta-roboți ar putea apoi evalua nivelurile de amenințare și asista în eforturile de salvare.

Acesta este un progres major în domeniul robotică, deoarece majoritatea roboților actuali necesită o serie de pași de fabricație complexi pentru a-i construi. Acest proces rezultă în roboți mai grei, mai voluminoși și mai slabi.

Pentru a dezvolta noua metodă, echipa s-a bazat pe o clasă de materiale de rețea intricate care se schimbă și se îndreaptă în funcție de un câmp electric. Acestea pot crea, de asemenea, o sarcină electrică ca urmare a forțelor fizice.

Dezvoltarea de noi materiale robotice

Materialele robotice dezvoltate de echipă sunt de dimensiunea unei monede și constau din elemente structurale care le ajută să se îndoaie, să se răsucească, să se extindă, să se contracteze sau să se rotească la viteze mari.

În plus, echipa a lansat o metodologie care poate fi utilizată pentru a proiecta materialele robotice, permițând utilizatorilor să-și creeze propriile modele.

Hauchen Cui este autorul principal al studiului și un cercetător postdoctoral la UCLA în laboratorul de fabricație aditivă și metamateriale al lui Zheng.

“Acest lucru permite elementelor de acționare să fie aranjate cu precizie în întregul robot pentru mișcări rapide, complexe și prelungite pe diverse tipuri de teren”, a spus Cui. “Cu efectul piezoelectric bidirecțional, materialele robotice pot, de asemenea, să-și detecteze singure contorsionările, să detecteze obstacolele prin ecouri și emisii ultrasonice, precum și să răspundă la stimuli externi prin intermediul unei bucle de control care determină cum se mișcă roboții, cu ce viteză se mișcă și spre ce țintă se mișcă.”

Echipa a utilizat metoda pentru a construi trei meta-roboți diferiți care demonstrează capacități diferite:

1. Meta-robot care navighează în jurul colțurilor în formă de S și obstacolelor plasate aleator
2. Meta-robot care poate scăpa în răspuns la un impact de contact
3. Meta-robot care merge pe teren accidentat și face salturi mici

Această nouă tehnică de imprimare 3D va juca un rol major în domeniul robotică, ajutând la eficientizarea construirii unor astfel de roboți.

Această cercetare revoluționară a inclus, de asemenea, autori precum Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu și Haotian Lu, care sunt studenți; Ariel Calderon, un cercetător postdoctoral; Zhen Wang, asociat de inginerie de dezvoltare; Sheyda Davaria, un asociat de cercetare la Virginia Tech; Patrick Mercier, profesor asociat de inginerie electrică și informatică la UC San Diego; și Pablo Tarazaga, profesor de inginerie mecanică la Texas A&M University.