Команда инженеров Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и их коллеги разработали новую стратегию проектирования и технологию 3D-печати для создания роботов за один шаг.
Исследование, в котором изложены достижения, а также создание и демонстрация ассортимента крошечных роботов, которые ходят, маневрируют и прыгают, было опубликовано в журнале Science.
Этот прорыв позволил одновременно изготовить все механические и электронные системы, необходимые для работы робота , с помощью нового типа процесса 3D- печати для инженерных активных материалов с множеством функций (также известных как метаматериалы). После 3D-печати «метабот» сможет двигаться, чувствовать и принимать решения.
Печатные метаматериалы состоят из внутренней сети сенсорных, подвижных и структурных элементов и могут двигаться сами по себе, следуя запрограммированным командам. Поскольку внутренняя сеть движения и датчиков уже установлена, единственным необходимым внешним компонентом является небольшая батарея для питания робота.
«Мы предполагаем, что эта методология проектирования и печати интеллектуальных роботизированных материалов поможет создать класс автономных материалов, которые могут заменить нынешний сложный процесс сборки для создания робота», — сказал главный исследователь исследования Сяоюй (Рейн) Чжэн, доцент гражданское и экологическое проектирование , а также машиностроение и аэрокосмическая инженерия в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Со сложными движениями, несколькими режимами восприятия и программируемыми способностями к принятию решений, все они тесно интегрированы, это похоже на биологическую систему с нервами, костями и сухожилиями, работающими в тандеме для выполнения контролируемых движений».
Команда продемонстрировала интеграцию с бортовой батареей и контроллером для полностью автономной работы напечатанных на 3D-принтере роботов — каждый размером с ноготь. По словам Чжэна, который также является членом Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, эта методология может привести к новым конструкциям биомедицинских роботов, таких как самоуправляемые эндоскопы или крошечные плавающие роботы, которые могут излучать ультразвук и перемещаться вблизи кровеносных сосудов, чтобы доставлять дозы лекарств в определенные целевые участки внутри тела.
Эти «метаботы» также могут исследовать опасные среды. Например, в разрушенном здании рой таких крошечных роботов, вооруженных встроенными чувствительными частями, может быстро получить доступ к замкнутым пространствам, оценить уровень угрозы и помочь спасательным работам, обнаружив людей, застрявших в завалах.
Большинство роботов, независимо от их размера, обычно изготавливаются из серии сложных производственных этапов, объединяющих конечности, электронные и активные компоненты. Процесс приводит к увеличению веса, увеличению объема и уменьшению выходной силы по сравнению с роботами, которые могут быть созданы с использованием этого нового метода.
Ключом к методу «все-в-одном» под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе является проектирование и печать пьезоэлектрических метаматериалов — класса материалов со сложной решеткой, которые могут изменять форму и двигаться в ответ на электрическое поле или создавать электрический заряд в результате физического воздействия. силы.
Использование активных материалов, которые могут преобразовывать электричество в движение, не ново. Однако эти материалы обычно имеют ограничения по диапазону движения и расстоянию перемещения. Они также должны быть подключены к системам трансмиссии, похожим на коробки передач, для достижения желаемых движений.
Напротив, материалы для роботов, разработанные Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе — каждый размером с пенни — состоят из сложных пьезоэлектрических и структурных элементов, которые предназначены для изгиба, изгиба, скручивания, вращения, расширения или сжатия на высоких скоростях.
Команда также представила методологию разработки этих роботизированных материалов, чтобы пользователи могли создавать свои собственные модели и печатать материалы непосредственно в роботе.
«Это позволяет точно расположить исполнительные элементы по всему роботу для быстрых, сложных и длительных движений на различных типах местности», — сказал ведущий автор исследования Хуачен Цуй, докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в Лаборатории аддитивного производства и метаматериалов Чжэна. «Благодаря двустороннему пьезоэлектрическому эффекту роботизированные материалы могут также самостоятельно ощущать свои искривления, обнаруживать препятствия с помощью эха и ультразвукового излучения, а также реагировать на внешние раздражители через контур управления с обратной связью, который определяет, как роботы двигаются, как быстро они двигаться и к какой цели они движутся».
Используя эту технику, команда построила и продемонстрировала трех «метаботов» с разными возможностями. Один робот может перемещаться по S-образным углам и произвольно расположенным препятствиям, другой может убегать в ответ на контактное воздействие, а третий робот может ходить по пересеченной местности и даже совершать небольшие прыжки.
Другими авторами исследования Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе являются аспиранты Дэшэн Яо, Райан Хенсли, Чжэнпэн Сюй и Хаотянь Лу; докторант Ариэль Кальдерон; инженер-разработчик Чжэнь Ван. Дополнительные авторы: Шейда Давария, научный сотрудник Технологического института Вирджинии; Патрик Мерсье, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Сан-Диего; и Пабло Тарасага, профессор машиностроения Техасского университета A&M.
Достижение включает в себя методы 3D-печати, ранее разработанные Чжэном и Хенсли, когда оба были исследователями в Технологическом институте Вирджинии, которому принадлежит патент. Исследователи планируют подать дополнительный патент через UCLA Technology Development Group на новую методологию, разработанную в UCLA.
