Banbrytande 3D-utskriftsteknik bygger robotar i ett steg

Ett team av ingenjörer vid UCLA har utvecklat en ny 3D-utskriftsteknik och designstrategi som gör att robotar kan byggas i ett enda steg. 

Den nya studien, som visar hur robotarna kan konstrueras och gå, manövrera och hoppa, publicerades i Vetenskap. 

Banbrytande 3D-utskriftsprocess

Den nya tekniken innebär en 3D-utskriftsprocess för konstruerade aktiva material med flera funktioner, eller "metamaterial". Det möjliggör tillverkning av hela de mekaniska och elektroniska system som krävs för att manövrera en robot på en gång. Efter att "metaboten" har 3D-utskrivits kan den utföra rörelse, framdrivning, avkänning och beslutsfattande. 

De tryckta materialen är uppbyggda av ett internt nätverk av sensoriska, rörliga och strukturella element som rör sig av sig själva efter att ha programmerats. Eftersom detta interna nätverk är samlat på ett ställe är allt som återstår att göra att producera en enda extern komponent – ​​det lilla batteriet som driver roboten. 

Xiaoyu (Rayne) Zheng är studiens huvudutredare och docent i civil- och miljöteknik, samt maskin- och flygteknik vid UCLA Samueli School of Engineering. 

"Vi föreställer oss att denna design- och tryckmetod för smarta robotmaterial kommer att hjälpa till att förverkliga en klass av autonoma material som kan ersätta den nuvarande komplexa monteringsprocessen för att göra en robot," sa Zheng. "Med komplexa rörelser, flera avkänningslägen och programmerbara beslutsfattande förmågor, alla tätt integrerade, liknar det ett biologiskt system med nerver, ben och senor som arbetar tillsammans för att utföra kontrollerade rörelser."

Potentiella tillämpningar

Teamet integrerade ett inbyggt batteri och kontroller för att göra helt autonoma 3D-utskrivna robotar. Var och en av robotarna är lika stora som en fingernagel, och enligt Zheng kan denna nya metod leda till nya konstruktioner för biomedicinska robotar. En sådan biomedicinsk robot kan vara en simbot som navigerar autonomt nära blodkärl för att leverera läkemedel på målplatser i kroppen. 

En annan tillämpning av 3D-utskrivna bots är att skicka dem till farliga miljöer, som en kollapsad byggnad, där en svärm av dem kan komma åt trånga utrymmen. Dessa metabotar kan sedan bedöma hotnivåer och hjälpa till med räddningsinsatser. 

Detta är ett stort genombrott inom robotteknik eftersom de flesta av de nuvarande robotarna kräver en serie komplexa tillverkningssteg för att konstruera dem. Denna process resulterar i tyngre, skrymmande och svagare robotar. 

För att utveckla den nya metoden förlitade sig teamet på en klass av intrikata gittermaterial som ändrar form och riktning som svar på ett elektriskt fält. De kan också skapa en elektrisk laddning som ett resultat av fysiska krafter. 

Utveckling av nya robotmaterial

Robotmaterialen som utvecklats av teamet är bara storleken på en slant och består av strukturella element som hjälper dem att böja, vrida, expandera, dra ihop sig eller rotera i höga hastigheter. 

Utöver allt detta släppte teamet en metod som kan användas för att designa robotmaterialen, vilket gör det möjligt för användare att skapa sina egna modeller. 

Hauchen Cui är studiens huvudförfattare och en UCLA-postdoktor vid Zhengs Additive Manufacturing and Metamaterials Lab. 

"Detta gör att manöverelementen kan arrangeras exakt i hela roboten för snabba, komplexa och långa rörelser på olika typer av terräng," sa Cui. "Med den tvåvägs piezoelektriska effekten kan robotmaterialen också självuppfatta sina förvrängningar, upptäcka hinder via ekon och ultraljud, samt svara på yttre stimuli genom en återkopplingskontrollslinga som bestämmer hur robotarna rör sig, hur snabbt de röra sig och mot vilket mål de rör sig."

Teamet använde metoden för att bygga tre olika metabotar som visar olika kapacitet:

1. Metabot som navigerar runt S-formade hörn och slumpmässigt placerade hinder
2. Metabot som kan fly som svar på en kontaktpåverkan
3. Metabot som går över tuff terräng och gör små hopp

Den här nya 3D-utskriftstekniken kommer att spela en viktig roll inom robotteknik, och hjälpa till att göra konstruktionen av sådana robotar mycket effektivare. 

Denna banbrytande forskning inkluderade också författarna Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu och Haotian Lu, som är doktorander; Ariel Calderon, en postdoktor; Zhen Wang, utvecklingstekniker; Sheyda Davaria, en forskningsassistent vid Virginia Tech; Patrick Mercier, docent i el- och datorteknik vid UC San Diego; och Pablo Tarazaga, professor i maskinteknik vid Texas A&M University.