3D-printmethode produceert in één stap werkende robots (video)

Een team van UCLA (VS) kan alle mechanische en elektronische systemen die nodig zijn om een ​​robot te bedienen in één keer vervaardigen door een nieuw type 3D-printproces voor gemanipuleerde actieve (meta)materialen met meerdere functies. Eenmaal 3D-geprint, zal een 'meta-bot' in staat zijn tot voortstuwing, beweging, detectie en besluitvorming.

De sleutel is het ontwerpen en printen van piëzo-elektrische metamaterialen - een klasse van ingewikkelde roostermaterialen die van vorm kunnen veranderen en bewegen als reactie op een elektrisch veld of elektrische lading kunnen creëren als gevolg van fysieke krachten.

Een studie die de vooruitgang schetste, samen met de constructie en demonstratie van een assortiment kleine robots die lopen, manoeuvreren en springen, werd gepubliceerd in Science.

De geprinte metamaterialen bestaan ​​uit een intern netwerk van sensorische, bewegende en structurele elementen en kunnen zichzelf bewegen volgens geprogrammeerde commando's. Nu het interne netwerk van bewegen en detecteren al aanwezig is, is de enige externe component die nodig is een kleine batterij om de robot van stroom te voorzien.

"We stellen ons voor dat deze ontwerp- en printmethodologie van slimme robotmaterialen zal helpen bij het realiseren van een klasse van autonome materialen die het huidige complexe assemblageproces voor het maken van een robot kan vervangen", zei hoofdonderzoeker Xiaoyu Zheng, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek, werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek. "Met complexe bewegingen, meerdere detectiemodi en programmeerbare besluitvormingsmogelijkheden, allemaal nauw geïntegreerd, is het resultaat vergelijkbaar met een biologisch systeem waarbij de zenuwen, botten en pezen samenwerken om gecontroleerde bewegingen uit te voeren."

Het team demonstreerde de integratie met een ingebouwde batterij en controller voor de volledig autonome werking van de 3D-geprinte robots - elk ter grootte van een vingernagel. Volgens Zheng zou de methodologie kunnen leiden tot nieuwe ontwerpen voor biomedische robots, zoals zelfsturende endoscopen of kleine zwemrobots, die ultrageluid kunnen uitzenden en zichzelf naar bloedvaten kunnen navigeren om medicijndoses afleveren op specifieke doellocaties in het lichaam.

De 'metabots' kunnen ook gevaarlijke omgevingen verkennen. In een ingestort gebouw kan een zwerm kleine robots, bewapend met geïntegreerde sensoronderdelen, bijvoorbeeld snel toegang krijgen tot besloten ruimtes, dreigingsniveaus inschatten en reddingspogingen helpen door mensen te vinden die vastzitten in het puin.

Veel stappen, minder resultaat

De meeste robots, ongeacht hun grootte, worden doorgaans gebouwd in een reeks complexe fabricagestappen waarin de ledematen, elektronische en actieve componenten zijn geïntegreerd. Het proces resulteert in zwaardere gewichten, grotere volumes en verminderde krachtoutput in vergelijking met robots die met deze nieuwe methode zouden kunnen worden gebouwd.

De UCLA gebruikt echter piëzo-elektrische metamaterialen - een klasse van ingewikkelde roostermaterialen die van vorm kunnen veranderen en bewegen als reactie op een elektrisch veld of elektrische lading kunnen creëren als gevolg van fysieke krachten.

Het gebruik van actieve materialen die elektriciteit kunnen omzetten in bewegingen is niet nieuw. Deze materialen hebben echter over het algemeen beperkingen in hun bewegingsbereik en de afstand die ze kunnen afleggen. Ze moeten ook worden aangesloten op versnellingsbakachtige transmissiesystemen om de gewenste bewegingen te bereiken.

Daarentegen zijn de door de UCLA ontwikkelde robotmaterialen - elk ter grootte van een cent - samengesteld uit ingewikkelde piëzo-elektrische en constructieve elementen die zijn ontworpen om met hoge snelheden te buigen, buigen, draaien, roteren, uitzetten of inkrimpen.

Het team presenteerde ook een methodologie om de materialen te ontwerpen, zodat gebruikers hun eigen modellen kunnen maken en de materialen rechtstreeks in een robot kunnen printen.

"Hierdoor kunnen bedieningselementen precies in de robot worden gerangschikt voor snelle, complexe en uitgebreide bewegingen op verschillende soorten terrein", zegt hoofdauteur Huachen Cui van het onderzoek, een UCLA-postdoctoraal wetenschapper in Zheng's Additive Manufacturing and Metamaterials Laboratory. "Dankzij het piëzo-elektrische effect in twee richtingen kunnen de robotmaterialen ook zelf hun verdraaiingen waarnemen, obstakels detecteren via echo's en ultrasone emissies, en reageren op externe stimuli via een feedbacksysteem dat bepaalt hoe de robots bewegen, hoe snel ze bewegen en naar welk doel ze bewegen."

Met behulp van de techniek heeft het team drie 'metabots' met verschillende mogelijkheden gebouwd en gedemonstreerd. De ene robot kan navigeren rond S-vormige hoeken en willekeurig geplaatste obstakels, een andere kan ontsnappen als reactie op een contactimpact, terwijl de derde robot over ruw terrein kan lopen en kleine sprongen kan maken.