Genombrottsteknik för 3D-utskrifter bygger robotar i ett steg

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

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

Genombrottsteknik för 3D-utskrifter

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

De utskrivna materialen består av ett internt nätverk av sensorer, rörliga och strukturerande element som rör sig själva efter att ha programmerats. Eftersom detta interna nätverk sammanfogas på en plats, är allt som återstår att producera en enda yttre komponent – den lilla batteri som driver roboten.

Xiaoyu (Rayne) Zheng är studiens huvudforskare och biträdande professor i civil- och miljöteknik samt mekanik och rymdteknik vid UCLA Samueli School of Engineering.

“Vi ser att denna design- och utskriftsmetod för smarta robotmaterial kommer att hjälpa till att förverkliga en klass av autonoma material som kan ersätta den nuvarande komplexa monteringsprocessen för att skapa en robot”, sa Zheng. “Med komplexa rörelser, flera sätt att känna och programmerbara beslutsfattande förmågor som alla är tätt integrerade, är det liknande ett biologiskt system med nerver, ben och senor som arbetar tillsammans för att utföra kontrollerade rörelser.”

Möjliga tillämpningar

Teamet integrerade en inbyggd batteri och kontroller för att skapa fullständigt autonoma 3D-utskrivna robotar. Var och en av robotarna är stor som en nagel, och enligt Zheng kan denna nya metod leda till nya design för biomedicinska robotar. En sådan biomedicinsk robot kan vara en simmande robot som navigerar autonomt nära blodkärl för att leverera läkemedel till målpunkter i kroppen.

En annan tillämpning av de 3D-utskrivna botarna är att skicka dem in i farliga miljöer, såsom en kollapsad byggnad, där en svärm av dem kan komma åt trånga utrymmen. Dessa meta-botar kan sedan bedöma hotnivåer och hjälpa till i räddningsinsatser.

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

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

Utveckling av nya robotmaterial

De robotmaterial som utvecklats av teamet är bara stor som en penny och består av strukturerande element som hjälper dem att böja, vrida, expandera, kontrahera eller rotera med höga hastigheter.

Dessutom släppte teamet en metod som kan användas för att designa robotmaterialet, vilket möjliggör för användare att skapa sina egna modeller.

Hauchen Cui är studiens första författare och en postdoktorand vid UCLA i Zhengs Additive Manufacturing and Metamaterials Lab.

“Detta möjliggör att aktiverande element kan arrangeras exakt i hela roboten för snabba, komplexa och utökade rörelser på olika typer av terräng”, sa Cui. “Med den tvåvägs piezoelektriska effekten kan de robotiska materialen också självkänna sina krökningar, upptäcka hinder via ekon och ultraljudsemissioner, samt svara på yttre stimuli genom en återkopplingskontroll som bestämmer hur robotarna rör sig, hur snabbt de rör sig och mot vilket mål de rör sig.”

Teamet använde metoden för att bygga tre olika meta-botar som demonstrerar olika förmågor:

1. Meta-bot som navigerar runt S-formade hörn och slumpmässigt placerade hinder
2. Meta-bot som kan fly från en beröringspåverkan
3. Meta-bot som går över ojämn terräng och gör små hopp

Denna nya 3D-utskriftsteknik kommer att spela en stor roll inom robotikområdet, vilket hjälper 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 postdoktorand; Zhen Wang, utvecklingsingenjör; Sheyda Davaria, en forskningsassistent vid Virginia Tech; Patrick Mercier, biträdande professor i elektroteknik och datateknik vid UC San Diego; och Pablo Tarazaga, professor i mekanik vid Texas A&M University.