Прорывная Техника 3D Печати Создает Роботов в Одном Шаге

Команда инженеров в UCLA разработала новую технику 3D-печати и стратегию проектирования, которая позволяет создавать роботов в один шаг.

Новое исследование, которое демонстрирует, как роботы могут быть построены и ходить, маневрировать и прыгать, было опубликовано в Science.

Прорывная Техника 3D Печати

Новая техника включает в себя процесс 3D-печати для инженерных активных материалов с несколькими функциями, или «метаматериалов». Она позволяет производить всю механическую и электронную системы, необходимые для работы робота, одновременно. После того, как «мета-бот» был напечатан на 3D-принтере, он может выполнять движение, пропульсию, датирование и принятие решений.

Напечатанные материалы состоят из внутренней сети сенсорных, движущих и структурных элементов, которые могут двигаться самостоятельно после программирования. Поскольку эта внутренняя сеть объединена в одном месте, все, что осталось сделать, – это произвести один внешний компонент – небольшой аккумулятор для питания робота.

Xiaoyu (Rayne) Zheng является основным исследователем этого исследования и ассоциированным профессором гражданского и экологического инженерного дела, а также механического и аэрокосмического инженерного дела в UCLA Samueli School of Engineering.

“Мы представляем, что эта конструкция и методология печати умных роботических материалов помогут реализовать класс автономных материалов, которые могут заменить текущий сложный процесс сборки робота”, – сказал Zheng. “С сложными движениями, несколькими режимами датирования и программируемыми возможностями принятия решений, все это тесно интегрировано, это похоже на биологическую систему с нервами, костями и сухожилиями, работающими вместе для выполнения контролируемых движений.”

Потенциальные Применения

Команда интегрировала на борту батарею и контроллер, чтобы сделать полностью автономные 3D-печатные роботы. Каждый из роботов имеет размер фингернейла, и, по словам Zheng, этот новый метод может привести к новым конструкциям для биомедицинских роботов. Одним из таких биомедицинских роботов может быть плавательный робот, который автономно ориентируется возле кровеносных сосудов, чтобы доставить лекарства в целевые места в организме.

Другим применением 3D-печатных роботов является их отправка в опасные среды, такие как обрушившееся здание, где рой их может получить доступ к тесным пространствам. Эти мета-боты могут затем оценить уровень угрозы и помочь в спасательных работах.

Это значительный прорыв в области робототехники, поскольку большинство текущих роботов требует серии сложных производственных шагов для их строительства. Этот процесс приводит к более тяжелым, громоздким и слабым роботам.

Для разработки нового метода команда опиралась на класс сложных решетчатых материалов, которые меняют форму и направление в ответ на электрическое поле. Они также могут создавать электрический заряд в результате физических сил.

Разработка Новых Роботических Материалов

Разработанные командой роботические материалы имеют размер только пенни и состоят из структурных элементов, которые помогают им сгибаться, скручиваться, расширяться, сжиматься или вращаться на высоких скоростях.

Помимо всего этого, команда выпустила методологию, которая может быть использована для проектирования роботических материалов, позволяя пользователям создавать свои собственные модели.

Hauchen Cui является ведущим автором исследования и постдокторантом UCLA в лаборатории Zheng по аддитивному производству и метаматериалам.

“Это позволяет располагать активирующие элементы точно по всему роботу для быстрых, сложных и продолжительных движений на различных типах местности”, – сказал Cui. “С двухсторонним пьезоэлектрическим эффектом роботические материалы также могут самообнаруживать свои изгибы, обнаруживать препятствия через эхо и ультразвуковые излучения, а также реагировать на внешние стимулы через петлю обратной связи, которая определяет, как роботы движутся, как быстро они движутся и к какой цели они движутся.”

Команда использовала этот метод для построения трех разных мета-ботов, демонстрирующих различные возможности:

1. Мета-бот, который ориентируется вокруг S-образных углов и случайно размещенных препятствий
2. Мета-бот, который может вырваться в ответ на контактное воздействие
3. Мета-бот, который ходит по неровной местности и делает небольшие прыжки

Эта новая техника 3D-печати сыграет значительную роль в области робототехники, giúpая сделать строительство таких роботов намного более эффективным.

Это прорывное исследование также включало авторов Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu и Haotian Lu, которые являются аспирантами; Ariel Calderon, постдокторантом; Zhen Wang, разработчиком; Sheyda Davaria, исследователем в Virginia Tech; Patrick Mercier, ассоциированным профессором электротехники и компьютерных наук в UC San Diego; и Pablo Tarazaga, профессором механической инженерии в Texas A&M University.