Robotics
Kỹ thuật in 3D đột phá chế tạo robot trong một bước
Một nhóm kỹ sư tại UCLA đã phát triển một chiến lược thiết kế và kỹ thuật in 3D mới cho phép chế tạo rô-bốt chỉ trong một bước.
Nghiên cứu mới, chứng minh cách robot có thể được chế tạo và đi bộ, điều khiển và nhảy đã được xuất bản trên tạp chí Khoa học.
Quy trình in 3D đột phá
Kỹ thuật mới liên quan đến quy trình in 3D dành cho các vật liệu hoạt động đã được thiết kế với nhiều chức năng, hay còn gọi là 'siêu vật liệu'. Nó cho phép sản xuất toàn bộ hệ thống cơ khí và điện tử cần thiết để vận hành rô-bốt cùng một lúc. Sau khi 'meta-bot' được in 3D, nó có thể thực hiện chuyển động, đẩy, cảm biến và ra quyết định.
Các tài liệu in được tạo thành từ một mạng nội bộ gồm các yếu tố cảm giác, chuyển động và cấu trúc tự di chuyển sau khi được lập trình. Bởi vì mạng nội bộ này được tập hợp lại ở một nơi, tất cả những gì còn lại phải làm là sản xuất một bộ phận bên ngoài duy nhất — cục pin nhỏ để cung cấp năng lượng cho rô-bốt.
Xiaoyu (Rayne) Zheng là điều tra viên chính của nghiên cứu và là phó giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường, cũng như kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Trường Kỹ thuật Samueli của UCLA.
Zheng cho biết: “Chúng tôi hình dung rằng phương pháp thiết kế và in ấn vật liệu rô-bốt thông minh này sẽ giúp hiện thực hóa một loại vật liệu tự trị có thể thay thế quy trình lắp ráp phức tạp hiện tại để chế tạo rô-bốt. “Với các chuyển động phức tạp, nhiều chế độ cảm nhận và khả năng ra quyết định có thể lập trình, tất cả đều được tích hợp chặt chẽ, nó tương tự như một hệ thống sinh học với các dây thần kinh, xương và gân hoạt động song song để thực hiện các chuyển động được kiểm soát.”
Ứng dụng tiềm năng
Nhóm đã tích hợp pin và bộ điều khiển trên bo mạch để tạo ra rô-bốt in 3D hoàn toàn tự động. Mỗi con robot có kích thước bằng móng tay và theo Zheng, phương pháp mới này có thể dẫn đến những thiết kế mới cho robot y sinh. Một robot y sinh như vậy có thể là một robot bơi tự động điều hướng gần các mạch máu để vận chuyển thuốc đến các vị trí mục tiêu trong cơ thể.
Một ứng dụng khác của các bot in 3D là đưa chúng vào những môi trường nguy hiểm, chẳng hạn như một tòa nhà bị sập, nơi một bầy chúng có thể tiếp cận những không gian chật hẹp. Các meta-bot này sau đó có thể đánh giá mức độ đe dọa và hỗ trợ các nỗ lực cứu hộ.
Đây là một bước đột phá lớn trong lĩnh vực robot vì hầu hết các robot hiện tại đều yêu cầu một loạt các bước sản xuất phức tạp để chế tạo chúng. Quá trình này dẫn đến các robot nặng hơn, cồng kềnh hơn và yếu hơn.
Để phát triển phương pháp mới, nhóm nghiên cứu đã dựa vào một loại vật liệu mạng phức tạp có thể thay đổi hình dạng và hướng để phản ứng với điện trường. Chúng cũng có thể tạo ra điện tích do tác dụng của các lực vật lý.
Phát triển vật liệu robot mới
Các vật liệu robot do nhóm phát triển chỉ có kích thước bằng một đồng xu và bao gồm các thành phần cấu trúc giúp chúng uốn cong, xoắn, mở rộng, co lại hoặc xoay ở tốc độ cao.
Trên hết, nhóm đã đưa ra một phương pháp có thể được sử dụng để thiết kế vật liệu rô-bốt, cho phép người dùng tạo mô hình của riêng họ.
Hauchen Cui là tác giả chính của nghiên cứu và là học giả sau tiến sĩ của UCLA tại Phòng thí nghiệm siêu vật liệu và sản xuất bồi đắp của Zheng.
Cui cho biết: “Điều này cho phép các bộ phận truyền động được bố trí chính xác trong toàn bộ rô-bốt để có thể di chuyển nhanh, phức tạp và kéo dài trên nhiều loại địa hình khác nhau. “Với hiệu ứng áp điện hai chiều, vật liệu rô-bốt cũng có thể tự cảm nhận sự biến dạng của chúng, phát hiện chướng ngại vật thông qua tiếng vang và phát xạ siêu âm, cũng như phản ứng với các kích thích bên ngoài thông qua vòng điều khiển phản hồi xác định cách rô-bốt di chuyển, tốc độ của chúng. di chuyển và hướng tới mục tiêu mà chúng di chuyển.”
Nhóm đã sử dụng phương pháp này để xây dựng ba siêu bot khác nhau thể hiện các khả năng khác nhau:
- Meta-bot điều hướng quanh các góc hình chữ S và các chướng ngại vật được đặt ngẫu nhiên
- Meta-bot có thể thoát ra khi có tác động tiếp xúc
- Meta-bot đi trên địa hình gồ ghề và thực hiện những bước nhảy nhỏ
Kỹ thuật in 3D mới này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực chế tạo robot, giúp việc chế tạo những robot như vậy hiệu quả hơn rất nhiều.
Nghiên cứu đột phá này còn có sự góp mặt của các tác giả Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu và Haotian Lu, là những nghiên cứu sinh; Ariel Calderon, một học giả sau tiến sĩ; Zhen Wang, cộng tác viên kỹ thuật phát triển; Sheyda Davaria, cộng tác viên nghiên cứu tại Virginia Tech; Patrick Mercier, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại UC San Diego; và Pablo Tarazaga, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Texas A&M.
