Αυτά τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα Millirobots μπορούν να αντιληφθούν και να αντιδράσουν στο περιβάλλον τους

Το millirobot έμοιαζε με ένα αξιολάτρευτο όχημα κινουμένων σχεδίων καθώς πλοηγούσε επιδέξια σε έναν περίπλοκο λαβύρινθο. Είναι ένα παράξενο πλάσμα: ο πυθμένας μοιάζει με γκρεμισμένο φράχτη. το πάνω μέρος, ένα καλάθι σαν τρυπητό. Το μέγεθος μιας δεκάρας, φαίνεται εύθραυστο και εντελώς ανεπιτήδευτο.

Αλλά στον πυρήνα του είναι μια πιθανή αλλαγή παραδείγματος για την κατασκευή αυτόνομων ρομπότ που μπορούν να αισθάνονται και να ανταποκρίνονται στο τοπικό του περιβάλλον. Σε αντίθεση με τα κλασικά ρομπότ, τα οποία συναρμολογούνται με πολλαπλά εξαρτήματα, το millirobot είναι Εκτύπωση 3D με ένα γαλακτώδες μεταϋλικό που μπορεί να αλλάξει ευέλικτα τις ιδιότητές του με μερικά ηλεκτρικά ζαπ.

Τα μεταϋλικά ακούγονται σαν κάτι βγαλμένο από κόμικ, αλλά η ιδέα είναι απλή. Σε αντίθεση με το ξύλο, το γυαλί ή άλλα στατικά υλικά στα οποία βασιζόμαστε εύκολα για να διατηρήσουμε τη δομή τους, τα μεταϋλικά που χρησιμοποιούνται στη μελέτη -πιεζοηλεκτρικά υλικά- αλλάζουν εύκολα τη δομή τους όταν ανατινάζονται με ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Αυτό επιτρέπει στο υλικό να συστρέφεται, να συστέλλεται, να συρρικνώνεται ή να διαστέλλεται. Χαρτογραφήστε κάθε κίνηση και είναι δυνατό να κατασκευάσετε και να κατευθύνετε ένα ρομπότ.

Για να φτιάξουμε το bot, την ομάδα σχεδιασμένα μια εγκατάσταση τρισδιάστατης εκτύπωσης για την εκτύπωση ρομποτικών δομών με χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών. Ως πρόσθετο πρόσθετο, η ομάδα έδωσε στα ρομπότ μια λάμψη υπερήχων, ενσωματώνοντας στοιχεία στο υλικό, τα οποία βοήθησαν τα ρομπότ να μετατρέψουν τους κραδασμούς σε ηλεκτρισμό για να αισθανθούν το περιβάλλον τους.

Τα millibots έμαθαν να περπατούν αυτόνομα, να πηδούν και να ξεφεύγουν από πιθανά εμπόδια σε πραγματικό χρόνο. Θα μπορούσαν ακόμη και να κάνουν μια μίνι πεζοπορία στην παραλία στο εργαστήριο, περνώντας εύκολα μέσα από ένα ανώμαλο, αμμώδες έδαφος εν μέρει καλυμμένο με πράσινο.

Τα ρομπότ, αν και εξακολουθούν να είναι υποτυπώδη, θα μπορούσαν μια μέρα να βοηθήσουν στη μεταφορά ναρκωτικών σε περιορισμένους χώρους στο σώμα μας, εάν συρρικνωθούν. Μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως φτηνοί, μικροσκοπικοί, αλλά ισχυροί ανιχνευτές για να εξερευνήσουν νέα ή επικίνδυνα περιβάλλοντα.

Στον Δρ. Ahmad Rafsanjani στο Κέντρο Μαλακής Ρομποτικής, Πανεπιστήμιο της Νότιας Δανίας, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, τα millibots φέρνουν τα μεταϋλικά στο προσκήνιο ως έναν νέο τρόπο κατασκευής αυτόνομων ρομπότ. Η μελέτη «τονίζει μια ευρύτερη άποψη των «ρομποτικών υλικών» στην οποία το όριο μεταξύ υλικών και μηχανών γίνεται αδιόρατο», έγραψε σε σχετικό σχόλιο. «Η πρόσθετη κατασκευή πιεζοηλεκτρικών μεταϋλικών μπορεί να οδηγήσει στην υλοποίηση πλήρως ενσωματωμένων ρομπότ που θα μπορούσαν τελικά να βγουν κατευθείαν από έναν 3D εκτυπωτή».

Meta-Τι;

Τα μεταϋλικά είναι περίεργα. Όμως, χάρη στις εξωτικές ιδιότητές τους, οι επιστήμονες έχουν εξερευνήσει εύκολα πιθανές χρήσεις για αυτές τις παράξενες πάπιες. Ένα κλασικό είναι τα οπτικά. Τα μεταϋλικά αποτελούνται συχνά από συστατικά που αλληλεπιδρούν ευέλικτα με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, συμπεριλαμβανομένου του φωτός. Κατά κάποιο τρόπο, μοιάζουν με τους φακούς της κάμερας ή τους καθρέφτες, αλλά με την υπερδύναμη να αλλάζουν γρήγορα τον τρόπο με τον οποίο κατευθύνουν κάθε κύμα φωτός. Θεωρητικά, μια προσεκτικά δημιουργημένη δομή από μεταϋλικά θα μπορούσε να επισκευάσει όλους τους τύπους γυαλιών - από τους φακούς μικροσκοπίου έως τους φακούς στο πρόσωπό μας.

Πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες άρχισαν να εξερευνούν άλλες χρήσεις. Μια σημαντική προσπάθεια είναι η ενσωμάτωση πιεζοηλεκτρικών υλικών σε νευρομορφικά τσιπ, τα οποία προσομοιώνουν κατά προσέγγιση πώς ο εγκέφαλος υπολογίζει και αποθηκεύει πληροφορίες. Αλλάζοντας τις ιδιότητες αυτών των υλικών με ηλεκτρικά πεδία, οι επιστήμονες μπορούν να προσεγγίσουν πώς λειτουργούν οι συνάψεις με εξαιρετικά χαμηλή ενέργεια. Άλλες μελέτες αξιοποίησε την ακροβατική ικανότητα των μεταϋλικών να μεταμορφώνουν το σχήμα τους, δημιουργώντας δομές που μετατρέπουν τη γραμμική κίνηση - ας πούμε, ένα περπάτημα καβουριού - σε περιστροφές και μηχανικά γρανάζια. Λες και τα πόδια σου μετατρέπονται ξαφνικά σε περιστρεφόμενους τροχούς.

Ναι, τα μεταϋλικά είναι περίεργα. Πώς λειτουργούν;

Βοηθάει να τα φανταζόμαστε ως παλιές τηλεοράσεις σε κουτί με κεραίες. Για να προσαρμόσετε το κανάλι - δηλαδή τη συμπεριφορά του υλικού - μετακινείτε τις κεραίες μέχρι η δομή τους να αλληλεπιδράσει έντονα με τα ραδιοκύματα και να φωνάξειá, έχετε καρφώσει την κατάσταση του υλικού. Στη συνέχεια, μπορεί να αναμειχθεί με συμβατικά υλικά για την κατασκευή περίπλοκων, δικτυωτών δομών, διατηρώντας παράλληλα τις ιδιότητες μεταμόρφωσής τους. Αυτή η ευελιξία τα καθιστά έναν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα καμβά για το σχεδιασμό ρομπότ. Επειδή είναι μια σχεδόν ενιαία δομή, μακροπρόθεσμα, θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην οικοδόμηση ευφυών προσθετική λιγότερο επιρρεπείς σε αστοχίες, καθώς δεν έχουν μηχανικά κινούμενα μέρη. Αντί για συγκόλληση, μπορούν πλέον να εκτυπωθούν 3D. (Αυτό μου δίνει όλα τα Westworld vibes—μηχανική Dolores έναντι γαλακτώδους-υγρής τυπωμένης έκδοσης, κανείς;).

πράγματα ξένος

Τα νέα millibots μοιάζουν με ένα υβρίδιο μεταξύ Wall-E και TARS, ένα ρομπότ με ραβδώσεις, αναδιπλούμενο, σαν chopsticks Διάστερος. Πλήρως τρισδιάστατα εκτυπωμένα, κατέστρεψαν το συμβατικό δόγμα για την κατασκευή ρομπότ. Κανονικά, ένα ρομπότ χρειάζεται πολλά ανεξάρτητα εξαρτήματα: αισθητήρες για την πλοήγηση στο περιβάλλον, μικροεπεξεργαστές για τον «εγκέφαλο», ενεργοποιητές για κίνηση και τροφοδοτικό για την οδήγηση ολόκληρου του συστήματος. Κάθε σύνδεσμος είναι επιρρεπής σε αποτυχία.

Εδώ, η ομάδα ενσωμάτωσε κάθε στοιχείο σε ένα σχέδιο. Το πρώτο βασικό συστατικό είναι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά, τα οποία μετατρέπουν τα ηλεκτρικά πεδία σε μηχανική τάση και το αντίστροφο. Είναι οι «μύες» που καθοδηγούν την κίνηση του ρομπότ. Αλλά κάνουν τριπλό καθήκον. Ανάλογα με την κατάσταση του μεταϋλικού, μπορεί να σχηματίσει μια κεραμική ραχοκοκαλιά για να βοηθήσει το millibot να διατηρήσει το σχήμα του. Στην αγώγιμη φάση του, δρα σαν νευρικά κύτταρα, συλλαμβάνοντας ηλεκτρομαγνητικά σήματα για τον έλεγχο των «μυών». Η περαιτέρω αύξηση της ικανότητας του bot είναι ένα στοιχείο υπερήχων, συγχωνευμένο στο bot, που το βοηθά να αισθάνεται το περιβάλλον του.

Συνολικά, το απλό millibot έχει ουσιαστικά πολλαπλά συστήματα αναμεμειγμένα σε μια κραυγαλέα λευκή σκούπα: ένα νευρικό σύστημα ικανό να ανιχνεύει και να ενεργοποιεί, ένα συστατικό «μυών» και μια σκελετική δομή. Ρίχνοντας το κουτί σε έναν 3D εκτυπωτή, η ομάδα κατασκεύασε εξελιγμένα πλέγματα ως τη ραχοκοκαλιά του ρομπότ, το καθένα προσεκτικά διακοσμημένο με αγώγιμα μέταλλα και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες σε συγκεκριμένες περιοχές.

Το αποτέλεσμα? Ένα μικροσκοπικό ρομπότ που χτυπά σε ηλεκτρικά πεδία για να ανιχνεύσει και να περιηγηθεί στο περιβάλλον του. Ακόμα πιο εντυπωσιακή είναι η ικανότητά του να «καταλαβαίνει» τις δικές του σωματικές κινήσεις και τη θέση του στο διάστημα - ένα κόλπο που ονομάζεται ιδιοδεκτικότητα αυτό έχει μεταγλωττιστεί η «έκτη αίσθηση» της ανθρώπινης αντίληψης και σπάνια εφαρμόζεται σε ρομπότ.

Με μερικές προκλήσεις, οι συγγραφείς στη συνέχεια παρουσίασαν την ανδρεία των bots. Ένα ρομπότ περιηγήθηκε με τεχνογνωσία γύρω από τα οδοφράγματα σε πραγματικό χρόνο καθώς ένας άνθρωπος κατέβαζε διαδοχικά εμπόδια με βάση την ανάδραση υπερήχων. Σε μια άλλη δοκιμή, το ρομπότ πήδηξε μεγάλες αποστάσεις και πλοηγήθηκε με δεξιοτεχνία σε απότομες στροφές. Με μόλις χιλιοστά του δευτερολέπτου καθυστέρηση, ο βάτραχος ρομπότ πήδηξε πολλές τραχιές επιφάνειες χωρίς να ιδρώσει - μια εργασία κινητήρα που προηγουμένως είχε μπερδέψει άλλα bots.

Τα millibots έφτιαξαν επίσης υπέροχα pack mules. Ακόμη και με 500 τοις εκατό βάρος σε ωφέλιμο φορτίο - όπως μια ενσωματωμένη πηγή τροφοδοσίας, ένα πρόγραμμα οδήγησης και ένας μικροελεγκτής - μπορούσαν να κινηθούν εύκολα με μόλις 20 τοις εκατό μείωση της ταχύτητας. Στην πράξη, η υπερδύναμη κάνει αυτά τα ρομπότ υπέροχα ικριώματα ως μηχανήματα διανομής φαρμάκων που μπορεί μια μέρα να περιφέρονται στο αίμα μας.

Ένας τρόπος για να πάτε

Ένα μόνο κομμάτι πιεζοηλεκτρικού υλικού μπορεί να είναι εξαιρετικά εύκαμπτο, με έξι βαθμούς ελευθερίας—την ικανότητα να εκτείνεται γραμμικά σε τρεις άξονες (όπως να λυγίζετε το χέρι σας προς τα εμπρός, προς τα πλάγια και πίσω) και να στρίβετε περιστροφικά. Χάρη στην πρόσθετη κατασκευή της μελέτης, είναι εύκολο να σχεδιάσετε διαφορετικές ρομποτικές αρχιτεκτονικές με γνώμονα δημιουργικούς αλγόριθμους.

Η ομάδα «συνδύασε έντεχνα την ενεργοποίηση και την αντίληψη σε μια ελαφριά μινιατούρα

σύνθετο τρισδιάστατο πλέγμα που κινείται και αισθάνεται το περιβάλλον του», είπε ο Rafsanjani.

Τα ρομπότ μπορεί να φανούν ως ένα αταίριαστο αίνιγμα: ένα εύκαμπτο πλάσμα που είναι κατασκευασμένο από σκληρό κεραμικό σκελετό με ένα μεταϋλικό. Αλλά το ίδιο και εμείς οι άνθρωποι—είμαστε φτιαγμένοι από κύτταρα με πολύ διαφορετικά σχήματα, μεγέθη και δυνατότητες. Η προσαρμογή των ιδεών που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό πιεζοηλεκτρικών ρομπότ δίνει στη μαλακή ρομποτική μια νέα προοπτική, που ενδεχομένως οδηγεί σε εντελώς τεχνητά υλικά που ταιριάζουν με το σώμα μας.

Η μελέτη «φέρνει τα ρομποτικά μεταϋλικά πιο κοντά στα βιολογικά συστήματα, μία λειτουργία τη φορά», είπε ο Rafsanjani.

Πίστωση εικόνας: Rayne Research Group

• Coinsmart. Το καλύτερο ανταλλακτήριο Bitcoin και Crypto στην Ευρώπη.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ.
• CryptoHawk. Ραντάρ Altcoin. Δωρεάν δοκιμή.
• Πηγή: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/