Nämä 3D-tulostetut Millirobotit voivat aistia ympäristönsä ja reagoida siihen

Millirobot näytti suloiselta sarjakuvaajoneuvolta, kun se navigoi asiantuntevasti monimutkaisessa sokkelossa. Se on outo olento: pohja muistuttaa sortunutta aitaa; yläosa, siivilämäinen kori. Pennin kokoinen, se näyttää hauraalta ja täysin vaatimattomalta.

Mutta sen ytimessä on mahdollinen paradigman muutos autonomisten robottien rakentamiseen, jotka tunnistavat paikallisen ympäristönsä ja reagoivat siihen. Toisin kuin klassiset robotit, jotka on koottu useista komponenteista, millirobot on 3D-tulostettu maitomaisen näköisellä metamateriaalilla, joka voi muuttaa ominaisuuksiaan joustavasti muutamalla sähköiskulla.

Metamateriaalit kuulostavat joltakin sarjakuvalta, mutta konsepti on yksinkertainen. Toisin kuin puu, lasi tai muut staattiset materiaalit, joihin luotamme helposti pitämään niiden rakenne, tutkimuksessa käytetyt metamateriaalit – pietsosähköiset materiaalit – muuttavat helposti rakennettaan, kun niitä räjäytetään sähkömagneettisella kentällä. Tämä mahdollistaa materiaalin vääntymisen, vääntymisen, kutistumisen tai laajenemisen. Kartoita jokainen liike, niin on mahdollista rakentaa ja ohjata robotti.

Rakentaakseen botin, tiimi suunniteltu 3D-tulostuslaitteisto robottirakenteiden tulostamiseen pietsosähköisillä materiaaleilla. Lisälisäosana tiimi antoi boteille ultraäänihohteen upottamalla materiaaliin komponentteja, mikä auttoi robotteja muuttamaan värähtelyt sähköksi tunnistaakseen ympäristönsä.

Millibotit oppivat itsenäisesti kävelemään, hyppäämään ja pakenemaan mahdollisia esteitä reaaliajassa. He voisivat jopa tehdä minirantaretken laboratoriossa ja navigoida helposti karkeassa, hiekkaisessa maastossa, joka oli osittain vehreyden peitossa.

Vaikka robotit ovat vielä alkeellisia, ne voisivat jonain päivänä auttaa kuljettamaan lääkkeitä kehomme ahtaisiin tiloihin, jos ne pienennetään. He voivat myös toimia halvina, pieninä, mutta tehokkaina partioina uusien tai vaarallisten ympäristöjen tutkimisessa.

Tohtori Ahmad Rafsanjanille Etelä-Tanskan yliopiston Soft Robotics -keskuksessa joka ei ollut mukana tutkimuksessa millibotit tuovat metamateriaalit parrasvaloihin uutena tapana rakentaa autonomisia robotteja. Tutkimus "korostaa laajempaa näkemystä "robottimateriaaleista", joissa materiaalien ja koneiden välinen raja tulee huomaamattomaksi", hän kirjoitti asiaan liittyvässä kommentissa. "Pietsosähköisten metamateriaalien lisävalmistus voi johtaa täysin integroitujen robottien toteutumiseen, jotka saattavat lopulta kävellä suoraan ulos 3D-tulostimesta."

Meta-Mitä?

Metamateriaalit ovat outoja. Mutta niiden eksoottisten ominaisuuksiensa ansiosta tutkijat ovat helposti tutkineet näiden outojen ankkojen mahdollisia käyttötarkoituksia. Klassikko on optiikka. Metamateriaalit valmistetaan usein komponenteista, jotka ovat joustavasti vuorovaikutuksessa sähkömagneettisten aaltojen, mukaan lukien valon, kanssa. Ne ovat tavallaan samanlaisia ​​kuin kameran linssit tai peilit, mutta niillä on supervoima muuttaa nopeasti tapaa, jolla ne ohjaavat jokaista valoaaltoa. Teoriassa metamateriaaleista huolellisesti luotu rakenne voisi uudistaa kaikentyyppisiä laseja – mikroskoopin linsseistä kasvoillamme oleviin linsseihin.

Viime aikoina tiedemiehet alkoivat tutkia muita käyttötarkoituksia. Yksi suuri ponnistelu on pietsosähköisten materiaalien sisällyttäminen neuromorfisiin siruihin, jotka simuloivat karkeasti tapaa, jolla aivot laskevat ja tallentavat tietoa. Muuttamalla näiden materiaalien ominaisuuksia sähkökentillä, tutkijat voivat arvioida synapsien toimintaa erittäin alhaisella energialla. Muut opinnot hyödynnetään metamateriaalien akrobaattista kykyä muuttaa muotoaan luoden rakenteita, jotka muuttavat lineaarisen liikkeen – esimerkiksi rapukävelyn – kierroksiksi ja mekaanisiksi vaihteiksi. Tuntuu kuin jalkasi muuttuisivat yhtäkkiä pyöriviksi pyöriksi.

Kyllä, metamateriaalit ovat outoja. Miten ne toimivat?

Se auttaa kuvittelemaan heidät sellaisiksi vanhan koulun laatikkotelevisiot antenneilla. Säädäksesi kanavaa eli materiaalin käyttäytymistä, liikutat antenneja, kunnes niiden rakenne on voimakkaassa vuorovaikutuksessa radioaaltojen kanssa, ja voilá, olet löytänyt materiaalin tilan. Se voidaan sitten sekoittaa tavanomaisten materiaalien kanssa monimutkaisten, hilamaisten rakenteiden rakentamiseksi säilyttäen samalla niiden metamorfoosiominaisuudet. Tämä joustavuus tekee niistä erityisen kiehtovan kankaan robottien suunnitteluun. Koska ne ovat lähes yksittäinen rakenne, ne voivat pitkällä aikavälillä auttaa rakentamaan älykkäitä proteeseja vähemmän alttiita vioille, koska niissä ei ole mekaanisia liikkuvia osia. Juottamisen sijaan ne voidaan nyt tulostaa 3D-tulosta. (Tämä antaa minulle kaiken Westworld vibes - mekaaninen Dolores versus maitomainen-neste painettu versio, kukaan?).

Stranger Things

Uudet millibotit näyttävät Wall-E:n ja TARS:n hybridiltä, ​​uurteiselta, taitettavalta, syömäpuikot muistuttavalta robotilta. Tähtienvälinen. Täysin 3D-tulostettuna ne rikkoivat perinteisen robottien rakentamisen dogman. Normaalisti robotti tarvitsee useita itsenäisiä komponentteja: antureita navigoimaan ympäristössä, mikroprosessoreja "aivoille", toimilaitteita liikettä varten ja virtalähteen koko järjestelmän ohjaamiseen. Jokainen linkki on altis epäonnistumiselle.

Täällä tiimi integroi jokaisen komponentin yhdeksi malliksi. Ensimmäinen tärkeä ainesosa on pietsosähköiset materiaalit, jotka muuttavat sähkökentät mekaaniseksi jännitykseksi ja päinvastoin. Ne ovat "lihaksia", jotka ohjaavat robotin liikettä. Mutta he tekevät kolminkertaisen tehtävän. Metamateriaalin tilasta riippuen se voi muodostaa keraamisen kaltaisen rungon, joka auttaa millibotia säilyttämään muotonsa. Johtavassa vaiheessaan se toimii kuin hermosolut, sieppaamalla sähkömagneettisia signaaleja ohjatakseen "lihaksia". Botin suorituskykyä lisää entisestään bottiin sulatettu ultraäänielementti, joka auttaa sitä aistimaan ympäristönsä.

Kaiken kaikkiaan yksinkertaisessa millibotissa on pohjimmiltaan useita järjestelmiä, jotka on sekoitettu yhdeksi räikeäksi valkoiseksi tahraksi: hermosto, joka pystyy havaitsemaan ja toimimaan, "lihas" -komponentti ja luuranko. Pudottamalla tahra 3D-tulostimeen, tiimi rakensi hienostuneita ristikoita robotin selkärangaksi, joista jokainen oli huolellisesti koristeltu johtavilla metalleilla ja pietsosähköisillä ominaisuuksilla tietyille alueille.

Lopputulos? Pieni robotti, joka hyödyntää sähkökenttiä tunnistaakseen ja navigoidakseen ympäristössään. Vieläkin vaikuttavampi on sen kyky "ymmärtää" omat kehon liikkeensä ja paikkansa avaruudessa – temppu, jota kutsutaan proprioceptioniksi. se on dubattu ihmisen havainnon "kuudes aisti", ja sitä käytetään harvoin roboteissa.

Muutamalla haasteella kirjoittajat esittelivät seuraavaksi botien kyvykkyyttä. Yksi robotti navigoi asiantuntevasti tiesulkujen ympäri reaaliajassa, kun ihminen putosi peräkkäin esteitä ultraäänipalautteen perusteella. Toisessa testissä robotti hyppäsi pitkiä matkoja ja navigoi asiantuntevasti jyrkissä käännöksissä. Vain millisekuntien viiveellä robottisammakko hyppäsi useita karkeita pintoja hikoilematta – moottoritehtävä, joka on aiemmin hämmentynyt muut robotit.

Millibotit tekivät myös upeita pakkausmuuleja. Jopa 500 prosentin hyötykuorman painolla – kuten laitteessa oleva virtalähde, ohjain ja mikro-ohjain – ne pystyivät liikkumaan helposti vain 20 prosentin nopeudella. Käytännössä supervoima tekee näistä roboteista upeita rakennustelineitä lääkkeiden jakelukoneina, jotka saattavat jonain päivänä vaeltaa verenkiertossamme.

A Ways to Go

Yksittäinen pietsosähköisen materiaalin pala voi olla erittäin joustava kuudella vapausasteella - kyky ulottua lineaarisesti kolmella akselilla (kuten taivuttaa käsivartta eteenpäin, sivuttain ja taaksepäin) ja kiertää pyörivästi. Tutkimuksen additiivisen valmistuksen ansiosta on helppoa suunnitella erilaisia ​​robottiarkkitehtuureja luovien algoritmien ohjaamana.

Tiimi "kutoi taidokkaasti yhteen ohjauksen ja havainnon kevyessä miniatyyrissä

komposiitti 3D-hila, joka liikkuu ja aistii ympäristönsä", Rafsanjani sanoi.

Robotit voivat tulla epäjohdonmukaisena ongelmana: joustava olento, joka on valmistettu kovasta keramiikkamaisesta rungosta, jossa on yksi metamateriaali. Mutta niin olemme myös me ihmiset – meidät on tehty soluista, joilla on hyvin erilaisia ​​muotoja, kokoja ja ominaisuuksia. Pietsosähköisten robottien suunnittelussa käytettyjen ideoiden mukauttaminen antaa pehmeälle robotiikalle uuden näkökulman, mikä saattaa johtaa täysin keinotekoisiin materiaaleihin, jotka sekoittuvat kehomme kanssa.

Tutkimus "tuo robotin metamateriaalit lähemmäksi biologisia järjestelmiä, yksi toiminto kerrallaan", Rafsanjani sanoi.

Kuvan luotto: Rayne Research Group

• Coinsmart. Euroopan paras Bitcoin- ja kryptopörssi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. VAPAA PÄÄSY.
• CryptoHawk. Altcoinin tutka. Ilmainen kokeilu.
• Lähde: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/