Disse 3D-printede millirobotter kan mærke og reagere på deres omgivelser

Millirobotten lignede et yndigt tegneseriekøretøj, da den dygtigt navigerede i en kompleks labyrint. Det er et mærkeligt væsen: Bunden ligner et sammenfalden hegn; toppen, en dørslagslignende kurv. På størrelse med en krone virker den skrøbelig og fuldstændig fordringsløs.

Men i sin kerne er et potentielt paradigmeskifte for at bygge autonome robotter, der kan fornemme og reagere på dets lokale miljø. I modsætning til klassiske robotter, som er samlet med flere komponenter, er millirobotten 3D-trykt med et mælkeagtigt udseende metamateriale, der fleksibelt kan ændre sine egenskaber med et par elektriske zaps.

Metamaterialer lyder som noget ud af en tegneserie, men konceptet er enkelt. I modsætning til træ, glas eller andre statiske materialer, vi let er afhængige af for at holde deres struktur, ændrer de metamaterialer, der blev brugt i undersøgelsen - piezoelektriske materialer - nemt deres struktur, når de sprænges med et elektromagnetisk felt. Dette gør det muligt for materialet at vride, forvride, krympe eller udvide sig. Kortlæg hver bevægelse, og det er muligt at bygge og styre en robot.

At bygge botten, holdet konstrueret en 3D-printopsætning til at udskrive robotstrukturer ved hjælp af piezoelektriske materialer. Som en ekstra tilføjelse gav holdet botsene en ultralydsglowup, der indlejrede komponenter i materialet, hvilket hjalp botsene med at omdanne vibrationer til elektricitet for at fornemme deres miljø.

Millibotterne lærte at gå, hoppe og flygte fra potentielle forhindringer autonomt i realtid. De kunne endda tage en mini-strandvandring i laboratoriet og nemt navigere gennem et groft, sandet terræn, der delvist er dækket af grønt.

Bottene, selvom de stadig er rudimentære, kan en dag hjælpe med at levere stoffer i lukkede rum i vores kroppe, hvis de bliver krympet ned. De kan også fungere som billige, små, men magtfulde spejdere til at udforske nye eller farlige miljøer.

Til Dr. Ahmad Rafsanjani ved Center for Soft Robotics, Syddansk Universitet, som ikke var involveret i undersøgelsen bringer millibotterne metamaterialer frem i rampelyset som en ny måde at konstruere autonome robotter på. Undersøgelsen "fremhæver et bredere syn på 'robotmaterialer', hvor grænsen mellem materialer og maskiner bliver usynlig," skrev han i en relateret kommentar. "Additiv fremstilling af piezoelektriske metamaterialer kan føre til at virkeliggøre fuldt integrerede robotter, som i sidste ende kan gå direkte ud af en 3D-printer."

Meta-Hvad?

Metamaterialer er mærkelige. Men takket være deres eksotiske egenskaber har videnskabsmænd let udforsket potentielle anvendelser for disse mærkelige ænder. En klassisk er optik. Metamaterialer er ofte lavet af komponenter, der fleksibelt interagerer med elektromagnetiske bølger, herunder lys. På en måde ligner de kameralinser eller spejle, men med superkraften til hurtigt at ændre, hvordan de dirigerer hver lysbølge. I teorien kunne en omhyggeligt skabt struktur fra metamaterialer revidere alle typer briller - fra mikroskoplinser til dem på vores ansigter.

For nylig begyndte videnskabsmænd at udforske andre anvendelser. En stor indsats er at inkorporere piezoelektriske materialer i neuromorfe chips, som groft simulerer, hvordan hjernen beregner og lagrer information. Ved at ændre egenskaberne af disse materialer med elektriske felter, kan forskere tilnærme sig, hvordan synapser fungerer med ultra-lav energi. Andre undersøgelser udnyttet metamaterialers akrobatiske evne til at forvandle deres form og skabe strukturer, der konverterer lineær bevægelse - for eksempel en krabbevandring - til rotationer og mekaniske gear. Det er, som om dine ben pludselig bliver til roterende hjul.

Ja, metamaterialer er mærkelige. Hvordan fungerer de?

Det hjælper at forestille sig dem som old school boxed TV med antenner. For at justere kanalen – det vil sige materialets adfærd – flytter du rundt på antennerne, indtil deres struktur interagerer stærkt med radiobølger, og voilá, du har nået materialets tilstand. Det kan derefter blandes med konventionelle materialer for at bygge indviklede, gitterlignende strukturer, samtidig med at deres metamorfoseegenskaber bevares. Denne fleksibilitet gør dem til et særligt spændende lærred til at designe robotter. Fordi de næsten er en enkelt struktur, kan de i det lange løb hjælpe med at bygge intelligente proteser mindre tilbøjelige til at fejle, da de ikke har mekaniske bevægelige dele. I stedet for at lodde kan de nu 3D-printes. (Dette giver mig alt Westworld vibes - mekanisk Dolores versus mælkeagtig-flydende trykt version, nogen?).

Stranger Ting

De nye millibots ligner en hybrid mellem Wall-E og TARS, en rillet, sammenfoldelig, spisepindeagtig robot i Interstellar. Fuldt 3D-printet knuste de det konventionelle dogme for at bygge robotter. Normalt har en robot brug for flere uafhængige komponenter: sensorer til at navigere i miljøet, mikroprocessorer til "hjernen", aktuatorer til bevægelse og en strømforsyning til at drive hele systemet. Hvert link er tilbøjeligt til at fejle.

Her integrerede teamet hver komponent i ét design. Den første nøgleingrediens er piezoelektriske materialer, som omdanner elektriske felter til mekanisk spænding og omvendt. De er "musklerne", der styrer robottens bevægelse. Men de udfører tredobbelt pligt. Afhængigt af metamaterialets tilstand kan det danne en keramiklignende rygrad for at hjælpe milliboten med at bevare sin form. I sin ledende fase fungerer den som nerveceller, der fanger elektromagnetiske signaler for at kontrollere "musklerne". Et ultralydselement, der er smeltet sammen på botten, hjælper den med at fornemme omgivelserne yderligere, der øger botens dygtighed.

Alt i alt har den simple millibot i det væsentlige flere systemer blandet i en iøjnefaldende hvid goo: et nervesystem, der er i stand til at føle og aktivere, en "muskel"-komponent og en skeletstruktur. Holdet lod det gå ned i en 3D-printer og byggede sofistikerede gitter som robottens rygrad, hver omhyggeligt dekoreret med ledende metaller og piezoelektriske egenskaber på specifikke områder.

Resultatet? En lille robot, der bruger elektriske felter for at fornemme og navigere i omgivelserne. Endnu mere imponerende er dens evne til at "forstå" sine egne kropslige bevægelser og placere dem i rummet - et trick kaldet proprioception det er blevet døbt den "sjette sans" af menneskelig opfattelse og sjældent implementeret i robotter.

Med nogle få udfordringer fremviste forfatterne derefter bots' dygtighed. En robot navigerede ekspert rundt om vejspærringer i realtid, da et menneske sekventielt sænkede barrierer baseret på ultralydsfeedback. I en anden test hoppede robotten lange strækninger og navigerede dygtigt i skarpe sving. Med blot millisekunders forsinkelse hoppede robotfrøen ad adskillige ru overflader uden at svede - en motorisk opgave, der tidligere har forvirret andre bots.

Millibotterne lavede også fantastiske pakkemuldyr. Selv med 500 procents vægt i nyttelast – såsom en indbygget strømkilde, en driver og en mikrocontroller – var de i stand til at bevæge sig let med kun 20 procents hastighedsnedgang. I praksis gør supermagten disse bots til gode stilladser som medicinudleveringsmaskiner, der en dag kan strejfe rundt i vores blodbane.

En vej at gå

Et enkelt stykke piezoelektrisk materiale kan være ekstremt fleksibelt med seks frihedsgrader - evnen til at strække sig lineært i tre akser (som at bøje din arm fremad, sidelæns og tilbage) og dreje rotationsmæssigt. Takket være undersøgelsens additive fremstilling er det nemt at designe forskellige robotarkitekturer styret af kreative algoritmer.

Holdet "kunstnerisk sammenflettet aktivering og perception i en letvægts miniature

sammensat 3D-gitter, der bevæger sig rundt og fornemmer sine omgivelser,” sagde Rafsanjani.

Robotterne kan komme ud som en uoverensstemmende gåde: et fleksibelt væsen, der er lavet af hård keramiklignende rygrad med ét metamateriale. Men det er vi mennesker også – vi er lavet af celler med vidt forskellige former, størrelser og muligheder. Tilpasning af ideer, der bruges til at designe piezoelektriske robotter, giver blød robotik et nyt perspektiv, hvilket potentielt kan føre til fuldstændig kunstige materialer, der griber sammen med vores kroppe.

Undersøgelsen "bringer robotmetamaterialer tættere på biologiske systemer, en funktion ad gangen," sagde Rafsanjani.

Billedkredit: Rayne Research Group

• Coinsmart. Europas bedste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. FRI ADGANG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis prøveversion.
• Kilde: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/