Diese 3D-gedruckten Milliroboter können ihre Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren

Der Milliroboter sah aus wie ein entzückendes Cartoon-Fahrzeug, als er fachmännisch durch ein komplexes Labyrinth navigierte. Es ist eine seltsame Kreatur: Der Boden ähnelt einem eingestürzten Zaun; oben ein siebartiger Korb. So groß wie ein Penny, wirkt er zerbrechlich und absolut unscheinbar.

Aber im Kern geht es um einen möglichen Paradigmenwechsel zum Bau autonomer Roboter, die ihre lokale Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren können. Im Gegensatz zu klassischen Robotern, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden, ist der Milliroboter 3D gedruckt mit einem milchig aussehenden Metamaterial, das seine Eigenschaften mit ein paar elektrischen Schlägen flexibel ändern kann.

Metamaterialien klingen wie etwas aus einem Comic, aber das Konzept ist einfach. Im Gegensatz zu Holz, Glas oder anderen statischen Materialien, auf die wir uns bereitwillig verlassen, um ihre Struktur zu halten, ändern die in der Studie verwendeten Metamaterialien – piezoelektrische Materialien – leicht ihre Struktur, wenn sie mit einem elektromagnetischen Feld gesprengt werden. Dadurch kann sich das Material verdrehen, verziehen, schrumpfen oder ausdehnen. Zeichnen Sie jede Bewegung auf, und es ist möglich, einen Roboter zu bauen und zu steuern.

Um den Bot zu bauen, das Team entworfen ein 3D-Druckaufbau zum Drucken von Roboterstrukturen mit piezoelektrischen Materialien. Als zusätzliches Add-on verpasste das Team den Bots ein Ultraschall-Glowup und bettete Komponenten in das Material ein, was den Bots half, Vibrationen in Elektrizität umzuwandeln, um ihre Umgebung zu erfassen.

Die Millibots lernten, in Echtzeit autonom zu gehen, zu springen und potenziellen Hindernissen zu entkommen. Sie konnten sogar eine Mini-Strandwanderung im Labor unternehmen und sich leicht durch ein raues, sandiges Gelände navigieren, das teilweise mit Grün bedeckt ist.

Die Bots, obwohl noch rudimentär, könnten eines Tages helfen, Medikamente in engen Räumen in unseren Körpern zu transportieren, wenn sie verkleinert werden. Sie können auch als billige, winzige, aber mächtige Späher fungieren, um neue oder gefährliche Umgebungen zu erkunden.

An Dr. Ahmad Rafsanjani vom Center for Soft Robotics, University of Southern Denmark, der nicht beteiligt war In der Studie rücken die Millibots Metamaterialien als neue Möglichkeit zur Konstruktion autonomer Roboter ins Rampenlicht. Die Studie „hebt eine breitere Sicht auf ‚Robotermaterialien' hervor, in der die Grenze zwischen Materialien und Maschinen unkenntlich wird“, schrieb er in einem zugehörigen Kommentar. „Die additive Fertigung von piezoelektrischen Metamaterialien kann zur Materialisierung vollständig integrierter Roboter führen, die möglicherweise direkt aus einem 3D-Drucker kommen.“

Meta-Was?

Metamaterialien sind seltsam. Aber dank ihrer exotischen Eigenschaften haben Wissenschaftler die potenziellen Verwendungsmöglichkeiten für diese seltsamen Enten bereits erforscht. Ein Klassiker ist die Optik. Metamaterialien bestehen oft aus Komponenten, die flexibel mit elektromagnetischen Wellen, einschließlich Licht, interagieren. In gewisser Weise ähneln sie Kameraobjektiven oder Spiegeln, aber mit der Superkraft, schnell zu ändern, wie sie jede Lichtwelle lenken. Theoretisch könnte eine sorgfältig geschaffene Struktur aus Metamaterialien alle Arten von Brillen überholen – von Mikroskoplinsen bis hin zu denen auf unseren Gesichtern.

In jüngerer Zeit begannen Wissenschaftler, andere Verwendungen zu erforschen. Eine große Anstrengung besteht darin, piezoelektrische Materialien in neuromorphe Chips zu integrieren, die grob simulieren, wie das Gehirn Informationen berechnet und speichert. Indem die Eigenschaften dieser Materialien mit elektrischen Feldern verändert werden, können Wissenschaftler ungefähr abschätzen, wie Synapsen mit ultraniedriger Energie funktionieren. Andere Studien nutzten die akrobatische Fähigkeit von Metamaterialien, ihre Form zu verändern, und schufen Strukturen, die lineare Bewegungen – beispielsweise einen Krebsgang – in Rotationen und mechanische Zahnräder umwandeln. Es ist, als würden sich Ihre Beine plötzlich in rotierende Räder verwandeln.

Ja, Metamaterialien sind seltsam. Wie arbeiten Sie?

Es hilft, sie sich so vorzustellen Boxed-TVs der alten Schule mit Antennen. Um den Kanal – also das Verhalten des Materials – anzupassen, bewegen Sie die Antennen, bis ihre Struktur stark mit Funkwellen interagiert, und voilá, Sie haben den Zustand des Materials erfasst. Es kann dann mit herkömmlichen Materialien gemischt werden, um komplizierte, gitterartige Strukturen aufzubauen, während seine Metamorphoseeigenschaften erhalten bleiben. Diese Flexibilität macht sie zu einer besonders faszinierenden Leinwand für die Entwicklung von Robotern. Da es sich bei ihnen um eine nahezu einzelne Struktur handelt, könnten sie langfristig dazu beitragen, intelligent zu bauen Prothetik weniger störanfällig, da sie keine mechanisch beweglichen Teile haben. Anstatt zu löten, können sie jetzt 3D-gedruckt werden. (Das gibt mir alles Westworld Vibes – mechanische Dolores versus milchig-flüssige gedruckte Version, irgendjemand?).

Stranger Things

Die neuen Millibots sehen aus wie eine Mischung aus Wall-E und TARS, ein geriffelter, faltbarer, Essstäbchen-ähnlicher Roboter Interstellar. Vollständig 3D-gedruckt, erschütterten sie das herkömmliche Dogma für den Bau von Robotern. Normalerweise benötigt ein Roboter mehrere unabhängige Komponenten: Sensoren zur Navigation in der Umgebung, Mikroprozessoren für das „Gehirn“, Aktuatoren für die Bewegung und eine Stromversorgung für den Antrieb des gesamten Systems. Jeder Link ist fehleranfällig.

Hier integrierte das Team jede Komponente in ein Design. Der erste Schlüsselbestandteil sind piezoelektrische Materialien, die elektrische Felder in mechanische Spannung umwandeln und umgekehrt. Sie sind die „Muskeln“, die die Bewegung des Roboters führen. Aber sie erfüllen eine dreifache Aufgabe. Je nach Zustand des Metamaterials kann es ein keramikähnliches Rückgrat bilden, das dem Millibot hilft, seine Form zu bewahren. In seiner leitenden Phase wirkt es wie Nervenzellen und fängt elektromagnetische Signale ein, um die „Muskeln“ zu steuern. Ein Ultraschallelement, das mit dem Bot verschmolzen ist und ihm hilft, seine Umgebung zu erfassen, steigert die Fähigkeiten des Bots weiter.

Insgesamt hat der einfache Millibot im Wesentlichen mehrere Systeme, die zu einer grellweißen Schmiere vermischt sind: ein Nervensystem, das in der Lage ist, zu erfassen und zu betätigen, eine „Muskel“-Komponente und eine Skelettstruktur. Das Team ließ die Schmiere in einen 3D-Drucker fallen und baute ausgeklügelte Gitter als Rückgrat des Roboters, die jeweils sorgfältig mit leitfähigen Metallen und piezoelektrischen Eigenschaften auf bestimmten Regionen dekoriert wurden.

Das Ergebnis? Ein winziger Roboter, der elektrische Felder anzapft, um seine Umgebung zu erfassen und zu navigieren. Noch beeindruckender ist seine Fähigkeit, seine eigenen Körperbewegungen zu „verstehen“ und sich im Raum zu platzieren – ein Trick, der als Propriozeption bezeichnet wird das wurde synchronisiert der „sechste Sinn“ der menschlichen Wahrnehmung und selten in Robotern implementiert.

Mit einigen Herausforderungen demonstrierten die Autoren als Nächstes die Fähigkeiten der Bots. Ein Roboter navigierte fachmännisch in Echtzeit um Straßensperren herum, während ein Mensch nacheinander Barrieren auf der Grundlage von Ultraschall-Feedback herunterließ. In einem anderen Test hüpfte der Roboter lange Strecken und navigierte fachmännisch durch scharfe Kurven. Mit nur Millisekunden Verzögerung hüpfte der Roboterfrosch ohne Schweiß über mehrere raue Oberflächen – eine motorische Aufgabe, die zuvor andere Bots verwirrte.

Die Millibots gaben auch großartige Packesel ab. Selbst mit 500 Prozent Nutzlast – wie einer Bordstromquelle, einem Treiber und einem Mikrocontroller – konnten sie sich mit nur 20 Prozent Geschwindigkeitsverlust problemlos fortbewegen. In der Praxis macht die Supermacht diese Bots zu großartigen Gerüsten als Medikamentenverabreichungsmaschinen, die eines Tages unseren Blutkreislauf durchstreifen könnten.

Ein Weg zu gehen

Ein einzelnes Stück piezoelektrisches Material kann mit sechs Freiheitsgraden extrem flexibel sein – die Fähigkeit, sich linear in drei Achsen auszudehnen (wie Ihren Arm nach vorne, zur Seite und nach hinten zu beugen) und rotierend zu drehen. Dank der additiven Fertigung der Studie ist es einfach, verschiedene Roboterarchitekturen zu entwerfen, die von kreativen Algorithmen geleitet werden.

Das Team „verwebte Betätigung und Wahrnehmung kunstvoll in einer leichten Miniatur

zusammengesetztes 3D-Gitter, das sich bewegt und seine Umgebung wahrnimmt“, sagte Rafsanjani.

Die Roboter könnten wie ein unpassendes Rätsel erscheinen: eine flexible Kreatur, die aus einem harten, keramikähnlichen Rückgrat mit einem Metamaterial besteht. Aber wir Menschen sind es auch – wir bestehen aus Zellen mit sehr unterschiedlichen Formen, Größen und Fähigkeiten. Die Anpassung von Ideen, die zum Entwerfen piezoelektrischer Roboter verwendet werden, gibt der weichen Robotik eine neue Perspektive und führt möglicherweise zu vollständig künstlichen Materialien, die mit unseren Körpern harmonieren.

Die Studie „bringt Roboter-Metamaterialien näher an biologische Systeme heran, eine Funktion nach der anderen“, sagte Rafsanjani.

Bildnachweis: Rayne Research Group

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• Quelle: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/