Need 3D-prinditud Millirobotid tunnevad ümbritsevat ja reageerivad sellele

Millirobot nägi keerukas labürindis asjatundlikult navigeerides välja nagu imeline koomiksisõiduk. See on kummaline olend: põhi meenutab kokkuvarisenud tara; ülemine, kurn-taoline korv. Senti suurune, tundub habras ja täiesti tagasihoidlik.

Kuid selle keskmes on potentsiaalne paradigma muutus autonoomsete robotite ehitamiseks, mis suudavad kohalikku keskkonda tajuda ja sellele reageerida. Erinevalt klassikalistest robotitest, mis on kokku pandud mitmest komponendist, on millirobot seda 3D prinditud piimja välimusega metamaterjaliga, mis suudab paindlikult muuta oma omadusi mõne elektrilöögiga.

Metamaterjalid kõlavad nagu midagi koomiksist, kuid kontseptsioon on lihtne. Erinevalt puidust, klaasist või muudest staatilistest materjalidest, millele me nende struktuuri hoidmisel kergesti toetume, muudavad uuringus kasutatud metamaterjalid – piesoelektrilised materjalid – kergesti oma struktuuri, kui neid elektromagnetväljaga puhuda. See võimaldab materjalil keerduda, väänata, kahaneda või laieneda. Kaardistage iga liikumine ja on võimalik ehitada ja juhtida robotit.

Boti ehitamiseks meeskond kavandatud 3D-printimise seadistus robotstruktuuride printimiseks piesoelektriliste materjalide abil. Täiendava lisana andis meeskond robotitele ultrahelikiirguse, põimides materjali komponente, mis aitas robotitel muuta vibratsiooni elektriks, et tajuda oma keskkonda.

Millibotid õppisid iseseisvalt kõndima, hüppama ja potentsiaalsete takistuste eest reaalajas põgenema. Nad võiksid isegi laboris väikese rannamatka teha, liikudes hõlpsalt läbi kareda, osaliselt rohelusega kaetud liivase maastiku.

Botid, ehkki veel algelised, võivad ühel päeval aidata toimetada ravimeid meie kehas kinnistesse ruumidesse, kui neid kahandada. Nad võivad toimida ka odavate, pisikeste, kuid võimsate skautidena, et uurida uusi või ohtlikke keskkondi.

Dr. Ahmad Rafsanjanile Lõuna-Taani ülikooli pehme robootika keskusest kes ei osalenud uuringus toovad millibotid metamaterjalid tähelepanu keskpunkti kui uudset viisi autonoomsete robotite ehitamiseks. Uuring "tõstab esile laiema vaate "robootilistest materjalidest", kus materjalide ja masinate vaheline piir muutub hoomamatuks, " kirjutas ta sellega seotud kommentaaris. "Piesoelektriliste metamaterjalide lisatootmine võib viia täielikult integreeritud robotite realiseerumiseni, mis võivad lõpuks 3D-printerist välja kõndida."

Meta-Mida?

Metamaterjalid on imelikud. Kuid tänu nende eksootilistele omadustele on teadlased hõlpsasti uurinud nende kummaliste partide võimalikke kasutusvõimalusi. Klassikaline on optika. Metamaterjalid on sageli valmistatud komponentidest, mis interakteeruvad paindlikult elektromagnetlainetega, sealhulgas valgusega. Mõnes mõttes on need sarnased kaamera objektiivide või peeglitega, kuid neil on ülivõime kiiresti muuta iga valguslaine suunamist. Teoreetiliselt võib metamaterjalidest hoolikalt loodud struktuur uuendada igat tüüpi prille – alates mikroskoobi läätsedest kuni meie näol olevate klaasideni.

Hiljuti hakkasid teadlased uurima muid kasutusviise. Üks peamisi jõupingutusi on piesoelektriliste materjalide lisamine neuromorfsetesse kiipidesse, mis simuleerivad ligikaudu seda, kuidas aju teavet arvutab ja talletab. Muutes nende materjalide omadusi elektriväljadega, saavad teadlased ligikaudselt hinnata, kuidas sünapsid töötavad ülimadala energiaga. Muud uuringud kasutatud metamaterjalide akrobaatilist võimet muuta nende kuju, luues struktuure, mis muudavad lineaarse liikumise – näiteks krabi jalutuskäiguks – pöördeteks ja mehaanilisteks hammasratasteks. Tundub, nagu muutuksid jalad järsku pöörlevateks ratasteks.

Jah, metamaterjalid on imelikud. Kuidas need toimivad?

See aitab neid ette kujutada vana kooli kasti telerid koos antennidega. Kanali (st materjali käitumise) reguleerimiseks liigutate antenne, kuni nende struktuur suhtleb tugevalt raadiolainetega, ja voilá, olete materjali oleku saavutanud. Seejärel saab seda segada tavaliste materjalidega, et luua keerukaid võrelaadseid struktuure, säilitades samal ajal nende metamorfoosiomadused. See paindlikkus muudab need robotite kujundamisel eriti intrigeerivaks lõuendiks. Kuna tegemist on peaaegu ühe struktuuriga, võivad need pikas perspektiivis aidata luua intelligentseid proteesimine vähem altid riketele, kuna neil pole mehaanilisi liikuvaid osi. Jootmise asemel saab neid nüüd 3D-printida. (See annab mulle kõik Westworld vibratsioonid – mehaaniline Dolores versus piimjas-vedelik trükitud versioon, keegi?).

võõras Asjad

Uued millibotid näevad välja nagu Wall-E ja TARS-i hübriid, mis on rihvel, kokkupandav, söögipulkade moodi robot. Tähtedevahelise. Täielikult 3D-prindituna purustasid nad tavapärase robotite ehitamise dogma. Tavaliselt vajab robot mitut sõltumatut komponenti: andureid keskkonnas navigeerimiseks, mikroprotsessoreid "aju" jaoks, ajamid liikumiseks ja toiteallikat kogu süsteemi juhtimiseks. Iga link on altid ebaõnnestumisele.

Siin integreeris meeskond iga komponendi ühte kujundusse. Esimene oluline koostisosa on piesoelektrilised materjalid, mis muudavad elektriväljad mehaaniliseks pingeks ja vastupidi. Need on "lihased", mis juhivad roboti liikumist. Kuid nad täidavad kolmekordset ülesannet. Sõltuvalt metamaterjali olekust võib see moodustada keraamilise selgroo, mis aitab millibotil oma kuju säilitada. Juhtivas faasis toimib see nagu närvirakud, püüdes "lihaste" juhtimiseks kinni elektromagnetilisi signaale. Boti võimekust tõstab veelgi robotile liidetud ultrahelielement, mis aitab sellel ümbritsevat tajuda.

Kokkuvõttes on lihtsal millibotil sisuliselt mitu süsteemi, mis on segatud üheks silmatorkavaks valgeks kleebiseks: närvisüsteem, mis on võimeline tajuma ja käivitama, "lihaste" komponent ja luustruktuur. Kukutades selle 3D-printerisse, ehitas meeskond roboti selgrooks keerukad võred, millest igaüks oli hoolikalt kaunistatud juhtivate metallide ja piesoelektriliste omadustega konkreetsetele piirkondadele.

Tulemus? Väike robot, mis puudutab elektrivälju, et tajuda ja navigeerida oma keskkonda. Veelgi muljetavaldavam on selle võime "mõista" oma keha liigutusi ja ruumi ruumis – seda nippi nimetatakse propriotseptsiooniks. see on dubleeritud inimese taju "kuues meel" ja seda rakendatakse robotites harva.

Järgmisena tutvustasid autorid mõne väljakutsega robotite võimekust. Üks robot navigeeris asjatundlikult reaalajas mööda teetõkkeid, kui inimene kukutas ultraheli tagasiside põhjal tõkkeid alla. Teises katses hüppas robot pikki vahemaid ja navigeeris asjatundlikult järskudel pööretel. Vaid millisekunditese viivitusega hüppas robotkonn mitu karedat pinda ilma higistamata – motoorne ülesanne, mis on varem hämmingus teisi roboteid.

Millibotid tegid ka suurepäraseid pakimuulasid. Isegi 500-protsendilise kasuliku koormuse (nt pardal oleva toiteallika, draiveri ja mikrokontrolleri) kaaluga suutsid nad hõlpsalt liikuda, kui kiirus vähenes vaid 20 protsenti. Praktikas muudab ülivõim need robotid suurepäraseks karkassiks kui ravimite kohaletoimetamise masinateks, mis võivad ühel päeval meie vereringes ringi liikuda.

A Ways to Go

Üksik piesoelektrilise materjali tükk võib olla äärmiselt painduv, kuue vabadusastmega – võime sirutada lineaarselt kolme telje suunas (näiteks painutada kätt ette, küljele ja taha) ja pöörata pöörlevalt. Tänu uuringu lisatootmisele on lihtne projekteerida erinevaid robotiarhitektuure, mida juhivad loomingulised algoritmid.

Meeskond põimis kergesse miniatuuri kunstlikult toimingud ja taju

komposiit 3D võre, mis liigub ringi ja tunnetab ümbritsevat,” ütles Rafsanjani.

Robotid võivad välja tulla kui sobimatu mõistatus: painduv olend, mis on valmistatud kõvast keraamilisest selgroost ja ühest metamaterjalist. Kuid nii oleme ka meie, inimesed – koosneme tohutult erineva kuju, suuruse ja võimalustega rakkudest. Piesoelektriliste robotite kujundamisel kasutatud ideede kohandamine annab pehmele robootikale uue väljavaate, mis võib viia täiesti kunstlike materjalideni, mis meie kehaga kokku puutuvad.

Uuring "toob robotite metamaterjalid bioloogilistele süsteemidele lähemale, üks funktsioon korraga," ütles Rafsanjani.

Pildi krediit: Rayne Research Group

• Münditark. Euroopa parim Bitcoini ja krüptobörs.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. TASUTA PÄÄS.
• CryptoHawk. Altcoini radar. Tasuta prooviversioon.
• Allikas: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/