เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติแบบ突破ที่สร้างหุ่นยนต์ใน一步

ทีมวิศวกรที่ UCLA ได้พัฒนาเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติและกลยุทธ์การออกแบบใหม่ที่ช่วยให้หุ่นยนต์สามารถสร้างขึ้นได้ใน一步เดียว

การศึกษใหม่นี้ซึ่งแสดงให้เห็นว่าหุ่นยนต์สามารถสร้างขึ้นและเดิน จัดการ และกระโดดได้ ถูกตีพิมพ์ใน Science

กระบวนการพิมพ์ 3 มิติแบบ突破

เทคนิคใหม่นี้เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ 3 มิติสำหรับวัสดุกระทำที่มีหลายหน้าที่ หรือ ‘วัสดุเมต้า’ ช่วยให้สามารถผลิตระบบกลไกและระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการทำงานของหุ่นยนต์ในครั้งเดียว หลังจากที่ ‘เมต้า-บอท’ ถูกพิมพ์ 3 มิติแล้ว มันสามารถเคลื่อนไหว ขับเคลื่อน การรับรู้ และการตัดสินใจ

วัสดุที่พิมพ์ประกอบด้วยเครือข่ายภายในขององค์ประกอบการรับรู้ การเคลื่อนไหว และโครงสร้างที่สามารถเคลื่อนไหวเองหลังจากถูกโปรแกรม เนื่องจากเครือข่ายภายในนี้ถูกนำมารวมกันในจุดเดียว สิ่งที่เหลืออยู่คือการผลิตส่วนประกอบภายนอกเพียงอย่างเดียว คือแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานให้กับหุ่นยนต์

Xiaoyu (Rayne) Zheng เป็นหัวหน้าผู้วิจัยของการศึกษาและเป็นรองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม以及วิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศที่ UCLA Samueli School of Engineering

“เรามองเห็นว่าการออกแบบและการพิมพ์วัสดุหุ่นยนต์แบบฉลาดนี้จะช่วยให้เกิดชั้นของวัสดุอัตโนมัติที่สามารถแทนที่กระบวนการประกอบที่ซับซ้อนในการสร้างหุ่นยนต์” Zheng กล่าว “ด้วยการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อน การรับรู้หลายรูปแบบ และความสามารถในการตัดสินใจที่สามารถเขียนโปรแกรมได้ ทั้งหมดนี้รวมกันอย่างใกล้ชิด ทำให้คล้ายกับระบบทางชีววิทยาโดยมีเส้นประสาท โครงกระดูก และเส้นเอ็นที่ทำงานร่วมกันเพื่อเคลื่อนไหวที่ควบคุมได้”

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้

ทีมงานรวมแบตเตอรี่และตัวควบคุมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างหุ่นยนต์ที่พิมพ์ 3 มิติแบบอัตโนมัติ หุ่นยนต์แต่ละตัวมีขนาดเท่ากับเล็บ และตามที่ Zheng กล่าว เทคนิคใหม่นี้อาจนำไปสู่การออกแบบหุ่นยนต์ทางการแพทย์ใหม่ๆ เช่น หุ่นยนต์ที่ว่ายน้ำซึ่งสามารถเดินทางอัตโนมัติใกล้กับหลอดเลือดเพื่อส่งยาที่จุดเป้าหมายในร่างกาย

การประยุกต์ใช้อีกอย่างหนึ่งของหุ่นยนต์ที่พิมพ์ 3 มิติคือการส่งพวกมันเข้าไปในสถานการณ์ที่มีอันตราย เช่น อาคารที่พังทลาย หุ่นยนต์เหล่านี้สามารถเข้าถึงพื้นที่แคบๆ และประเมินระดับภัยคุกคามได้

สิ่งนี้เป็นความก้าวหน้าสำคัญในด้านหุ่นยนต์ เนื่องจากหุ่นยนต์ส่วนใหญ่ต้องผ่านกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนหลายขั้นตอนเพื่อสร้างขึ้น ซึ่งนำไปสู่หุ่นยนต์ที่มีขนาดใหญ่และอ่อนแอ

เพื่อพัฒนาวิธีการใหม่นี้ ทีมงานได้พึ่งพาวัสดุเมต้าชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนรูปและทิศทางตามสนามไฟฟ้า และสามารถสร้างประจุไฟฟ้าได้จากแรงกระทำทางกายภาพ

การพัฒนาวัสดุหุ่นยนต์ใหม่

วัสดุหุ่นยนต์ที่ทีมงานพัฒนามีขนาดเล็กเท่ากับเหรียญสหรัฐฯ และประกอบด้วยองค์ประกอบโครงสร้างที่ช่วยให้พวกมันสามารถงอ ทorsi ขยาย ตีบ หรือหมุนได้ด้วยความเร็วสูง

นอกจากนี้ ทีมงานได้เผยแพร่วิธีการที่สามารถใช้ในการออกแบบวัสดุหุ่นยนต์ ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถสร้างแบบจำลองของตนเองได้

Hauchen Cui เป็นผู้เขียนนำของการศึกษาและเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ UCLA ในห้องปฏิบัติการการผลิตแบบเพิ่มและวัสดุเมต้าของ Zheng

“สิ่งนี้ช่วยให้สามารถจัดเรียงองค์ประกอบการกระตุ้นได้อย่างแม่นยำทั่วทั้งหุ่นยนต์สำหรับการเคลื่อนไหวที่รวดเร็ว ซับซ้อน และยืดเยื้อในพื้นที่ต่างๆ” Cui กล่าว “ด้วยผล piezoelectric ทั้งสองทาง วัสดุหุ่นยนต์สามารถรับรู้การบิดเบือนของตนเองได้ และสามารถตรวจจับอุปสรรคผ่านการสะท้อนกลับและการส่งสัญญาณอัลตราซาวนด์ และสามารถตอบสนองต่อการกระตุ้นภายนอกผ่านวงจรควบคุมที่กำหนดว่าหุ่นยนต์เคลื่อนไหวอย่างไร เร็วแค่ไหน และเคลื่อนไปในทิศทางใด”

ทีมงานใช้วิธีการนี้เพื่อสร้างหุ่นยนต์เมต้าสามแบบที่แสดงให้เห็นความสามารถที่แตกต่างกัน:

1. หุ่นยนต์เมต้าที่สามารถเดินผ่านมุม S และอุปสรรคที่วางไว้แบบสุ่ม
2. หุ่นยนต์เมต้าที่สามารถหลบหนีออกมาเมื่อมีการสัมผัสกัน
3. หุ่นยนต์เมต้าที่สามารถเดินบนพื้นที่ที่ไม่เรียบและกระโดดเล็กๆ

เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติใหม่นี้จะมีบทบาทสำคัญในด้านหุ่นยนต์ โดยช่วยให้การก่อสร้างหุ่นยนต์เหล่านี้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

การวิจัยที่突破นี้ยังรวมถึงผู้เขียนอื่นๆ เช่น Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu และ Haotian Lu ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา; Ariel Calderon, นักวิจัยหลังปริญญาเอก; Zhen Wang, ผู้ช่วยวิศวกรพัฒนา; Sheyda Davaria, ผู้ช่วยวิจัยที่ Virginia Tech; Patrick Mercier, รองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่ UC San Diego; และ Pablo Tarazaga, ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องกลที่ Texas A&M University