Kỹ Thuật In 3D Đột Phá Xây Dựng Robot Trong Một Bước

Một nhóm các kỹ sư tại UCLA đã phát triển một kỹ thuật in 3D mới và chiến lược thiết kế cho phép xây dựng robot trong một bước duy nhất.

Nghiên cứu mới, thể hiện cách các robot có thể được xây dựng và đi, điều khiển, nhảy, đã được công bố trên Science.

Quy Trình In 3D Đột Phá

Kỹ thuật mới này liên quan đến một quá trình in 3D cho các vật liệu hoạt động có nhiều chức năng, hoặc ‘vật liệu siêu cấp.’ Nó cho phép sản xuất toàn bộ hệ thống cơ học và điện tử cần thiết để vận hành một robot cùng một lúc. Sau khi ‘meta-bot’ đã được in 3D, nó có thể thực hiện các chuyển động, đẩy, cảm biến và quyết định.

Các vật liệu in được cấu tạo từ một mạng lưới nội bộ của các yếu tố cảm biến, di chuyển và cấu trúc có thể di chuyển tự động sau khi được lập trình. Bởi vì mạng lưới nội bộ này được tập hợp ở một nơi, tất cả những gì còn lại để làm là sản xuất một thành phần bên ngoài duy nhất – pin nhỏ để cung cấp năng lượng cho robot.

Xiaoyu (Rayne) Zheng là nhà điều tra chính của nghiên cứu và là giáo sư liên kết về kỹ thuật dân sự và môi trường, cũng như kỹ thuật cơ học và hàng không tại Trường Kỹ thuật Samueli của UCLA.

“Chúng tôi hình dung rằng thiết kế và phương pháp in này của vật liệu robot thông minh sẽ giúp hiện thực hóa một lớp vật liệu tự động có thể thay thế quá trình lắp ráp phức tạp hiện tại để tạo ra một robot,” Zheng nói. “Với các chuyển động phức tạp, nhiều chế độ cảm biến và khả năng quyết định lập trình, nó tương tự như một hệ thống sinh học với các dây thần kinh, xương và gân hoạt động cùng nhau để thực hiện các chuyển động được kiểm soát.”

Ứng Dụng Tiềm Năng

Đội ngũ đã tích hợp một pin và bộ điều khiển trên tàu để tạo ra các robot in 3D hoàn toàn tự động. Mỗi robot có kích thước bằng một móng tay, và theo Zheng, phương pháp mới này có thể dẫn đến các thiết kế mới cho robot y sinh. Một robot y sinh như vậy có thể là một robot bơi tự động gần các mạch máu để đưa thuốc đến các vị trí mục tiêu trong cơ thể.

Một ứng dụng khác của các robot in 3D là gửi chúng vào các môi trường nguy hiểm, chẳng hạn như một tòa nhà sụp đổ, nơi một đàn robot có thể tiếp cận các không gian hẹp. Các meta-bot này sau đó có thể đánh giá mức độ đe dọa và hỗ trợ trong các nỗ lực cứu hộ.

Đây là một bước đột phá trong lĩnh vực robot vì hầu hết các robot hiện tại yêu cầu một loạt các bước sản xuất phức tạp để xây dựng chúng. Quá trình này dẫn đến các robot nặng hơn, cồng kềnh hơn và yếu hơn.

Để phát triển phương pháp mới, đội ngũ đã dựa vào một lớp vật liệu lưới phức tạp có thể thay đổi hình dạng và hướng theo một trường điện. Chúng cũng có thể tạo ra một điện tích do các lực vật lý.

Phát Triển Vật Liệu Robot Mới

Vật liệu robot được phát triển bởi đội ngũ chỉ có kích thước bằng một đồng xu và bao gồm các yếu tố cấu trúc giúp chúng uốn, xoắn, giãn, co lại hoặc quay với tốc độ cao.

Ngoài tất cả những điều này, đội ngũ đã phát hành một phương pháp có thể được sử dụng để thiết kế vật liệu robot, cho phép người dùng tạo ra các mô hình của riêng họ.

Hauchen Cui là tác giả chính của nghiên cứu và là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Sản xuất Thêm và Vật liệu Siêu cấp của Zheng.

“Điều này cho phép các yếu tố hoạt động được sắp xếp chính xác trong toàn bộ robot để thực hiện các chuyển động nhanh, phức tạp và kéo dài trên nhiều loại địa hình,” Cui nói. “Với hiệu ứng áp điện hai chiều, vật liệu robot cũng có thể tự cảm biến các biến dạng của chúng, phát hiện chướng ngại vật qua các tín hiệu và phát xạ siêu âm, cũng như phản ứng với các kích thích bên ngoài thông qua một vòng lặp phản hồi kiểm soát cách di chuyển của robot, tốc độ di chuyển và mục tiêu di chuyển.”

Đội ngũ đã sử dụng phương pháp này để xây dựng ba meta-bot khác nhau thể hiện các khả năng khác nhau:

1. Meta-bot điều hướng xung quanh các góc hình S và chướng ngại vật được đặt ngẫu nhiên
2. Meta-bot có thể thoát ra khi phản ứng với tác động tiếp xúc
3. Meta-bot đi trên địa hình gồ ghề và nhảy nhỏ

Kỹ thuật in 3D mới này sẽ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực robot, giúp việc xây dựng các robot như vậy trở nên hiệu quả hơn.

Nghiên cứu đột phá này cũng bao gồm các tác giả Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu và Haotian Lu, những người là sinh viên sau đại học; Ariel Calderon, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ; Zhen Wang, một kỹ sư phát triển; Sheyda Davaria, một nhà nghiên cứu tại Virginia Tech; Patrick Mercier, giáo sư liên kết về kỹ thuật điện và máy tính tại UC San Diego; và Pablo Tarazaga, giáo sư về kỹ thuật cơ học tại Texas A&M University.