Zespół inżynierów UCLA i ich współpracowników opracowali nową strategię projektowania i technikę drukowania 3D, aby zbudować roboty w jednym kroku.
Badanie, które nakreśliło postęp, wraz z konstrukcją i demonstracją asortymentu maleńkich robotów, które chodzą, manewrują i skaczą, zostały opublikowane w Science.
Przełom umożliwił jednoczesne wyprodukowanie całych systemów mechanicznych i elektronicznych potrzebnych do obsługi robota za pomocą nowego typu procesu drukowania 3D dla inżynierskich materiałów aktywnych o wielu funkcjach (znanych również jako metamateriały). Po wydrukowaniu w 3D „metabot” będzie w stanie napędzać, poruszać się, wykrywać i podejmować decyzje.
Drukowane metamateriały składają się z wewnętrznej sieci elementów sensorycznych, ruchomych i strukturalnych i mogą poruszać się samodzielnie, wykonując zaprogramowane polecenia. Gdy wewnętrzna sieć ruchu i czujników jest już na miejscu, jedynym potrzebnym elementem zewnętrznym jest mały akumulator do zasilania robota.
„Przewidujemy, że ta metodologia projektowania i drukowania inteligentnych materiałów robotycznych pomoże stworzyć klasę autonomicznych materiałów, które mogłyby zastąpić obecny złożony proces montażu robota” – powiedział główny badacz badania Xiaoyu (Rayne) Zheng, profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej i środowiskowej oraz inżynierii mechanicznej i lotniczej w UCLA Samueli School of Engineering. „Dzięki złożonym ruchom, wielu trybom wykrywania i programowalnym zdolnościom podejmowania decyzji, które są ściśle zintegrowane, jest to podobne do systemu biologicznego, w którym nerwy, kości i ścięgna pracują razem, aby wykonywać kontrolowane ruchy”.
Zespół zademonstrował integrację z akumulatorem pokładowym i kontrolerem w celu w pełni autonomicznego działania robotów drukowanych w 3D — każdy o wielkości paznokcia palca. Według Zhenga, który jest również członkiem Kalifornijskiego Instytutu NanoSystemów na Uniwersytecie Kalifornijskim, metodologia ta może prowadzić do nowych projektów robotów biomedycznych, takich jak samosterujące się endoskopy lub maleńkie roboty pływające, które mogą emitować ultradźwięki i poruszać się w pobliżu naczyń krwionośnych. dostarczać dawki leku w określone miejsca docelowe w ciele.
Te „meta-boty” mogą również badać niebezpieczne środowiska. Na przykład w zawalonym budynku rój takich maleńkich robotów uzbrojonych w zintegrowane czujniki może szybko dostać się do ciasnych przestrzeni, ocenić poziom zagrożenia i pomóc w akcjach ratunkowych, znajdując ludzi uwięzionych w gruzach.
Większość robotów, niezależnie od ich wielkości, jest zwykle budowana w szeregu złożonych etapów produkcyjnych, które integrują kończyny, komponenty elektroniczne i aktywne. Proces ten skutkuje większą masą, większą objętością i zmniejszoną wydajnością siły w porównaniu z robotami, które można by zbudować przy użyciu tej nowej metody.
Kluczem w prowadzonej przez UCLA metodzie „wszystko w jednym” jest projektowanie i drukowanie metamateriałów piezoelektrycznych — klasy skomplikowanych materiałów siatkowych, które mogą zmieniać kształt i poruszać się w odpowiedzi na pole elektryczne lub wytwarzać ładunek elektryczny w wyniku siły fizyczne.
Stosowanie materiałów aktywnych, które mogą przekształcać energię elektryczną w ruch, nie jest niczym nowym. Jednak te materiały mają na ogół ograniczenia w zakresie ich ruchu i odległości przemieszczania. Muszą być również połączone z systemami przekładni podobnymi do skrzyni biegów, aby uzyskać pożądane ruchy.
W przeciwieństwie do tego, opracowane przez UCLA materiały dla robotów – każdy wielkości pensa – składają się ze skomplikowanych elementów piezoelektrycznych i strukturalnych, które są zaprojektowane tak, aby zginać, zginać, skręcać, obracać, rozszerzać się lub kurczyć przy dużych prędkościach.
Zespół zaprezentował również metodologię projektowania tych zrobotyzowanych materiałów, aby użytkownicy mogli tworzyć własne modele i bezpośrednio drukować materiały w robocie.
„Pozwala to na precyzyjne rozmieszczenie elementów uruchamiających w robocie w celu szybkiego, złożonego i rozszerzonego ruchu na różnych rodzajach terenu” – powiedział główny autor badania, Huachen Cui, stypendysta podoktorancki UCLA w Laboratorium wytwarzania dodatków i metamateriałów w firmie Zheng. „Dzięki dwukierunkowemu efektowi piezoelektrycznemu materiały robotyczne mogą również samodzielnie wykrywać swoje wygięcia, wykrywać przeszkody za pomocą echa i emisji ultradźwięków, a także reagować na bodźce zewnętrzne poprzez pętlę kontroli sprzężenia zwrotnego, która określa, jak poruszają się roboty i jak szybko się poruszają. poruszają się i do którego celu się poruszają.”
Wykorzystując tę technikę, zespół zbudował i zademonstrował trzy „metaboty” o różnych możliwościach. Jeden robot może poruszać się po narożnikach w kształcie litery S i losowo rozmieszczonych przeszkodach, inny może uciec w odpowiedzi na uderzenie w kontakt, podczas gdy trzeci robot może chodzić po nierównym terenie, a nawet wykonywać małe skoki.
Inni autorzy badania z UCLA to absolwenci Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu i Haotian Lu; doktor habilitowany Ariel Calderon; współpracownik ds. inżynierii rozwoju Zhen Wang. Dodatkowymi autorami są Sheyda Davaria, pracownik naukowy w Virginia Tech; Patrick Mercier, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej na UC San Diego; oraz Pablo Tarazaga, profesor inżynierii mechanicznej na Texas A&M University.
Badania zostały wsparte nagrodą Young Faculty oraz Director’s Fellowship Award od amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA), z dodatkowym finansowaniem z US Office of Naval Research, Air Force Office of Scientific Research oraz National Science Foundation.
Postęp obejmuje techniki drukowania 3D opracowane wcześniej przez Zheng i Hensleigh, podczas gdy obaj byli badaczami w Virginia Tech, która jest właścicielem patentu. Naukowcy planują złożyć dodatkowy patent za pośrednictwem UCLA Technology Development Group na nową metodologię opracowaną w UCLA.