Deze 3D-geprinte Millirobots kunnen hun omgeving voelen en erop reageren

De millirobot zag eruit als een schattig cartoonvoertuig terwijl hij vakkundig door een complex doolhof navigeerde. Het is een vreemd wezen: de bodem lijkt op een ingestort hek; de bovenkant, een vergiet-achtige mand. De grootte van een cent, het lijkt fragiel en volkomen bescheiden.

Maar in de kern is een mogelijke paradigmaverschuiving voor het bouwen van autonome robots die de lokale omgeving kunnen voelen en erop reageren. In tegenstelling tot klassieke robots, die met meerdere componenten zijn samengesteld, is de millirobot 3D afgedrukt met een melkachtig uitziend metamateriaal dat zijn eigenschappen flexibel kan veranderen met een paar elektrische zaps.

Metamaterialen klinken als iets uit een stripboek, maar het concept is eenvoudig. In tegenstelling tot hout, glas of andere statische materialen waarop we gemakkelijk vertrouwen om hun structuur te behouden, veranderen de metamaterialen die in het onderzoek werden gebruikt - piëzo-elektrische materialen - gemakkelijk van structuur wanneer ze met een elektromagnetisch veld worden gestraald. Hierdoor kan het materiaal draaien, verdraaien, krimpen of uitzetten. Breng elke beweging in kaart en het is mogelijk om een ​​robot te bouwen en te besturen.

Om de bot te bouwen, het team ontworpen een 3D-printopstelling om robotstructuren af ​​te drukken met behulp van piëzo-elektrische materialen. Als extra toevoeging gaf het team de bots een ultrasone gloed, waarbij componenten in het materiaal werden ingebed, waardoor de bots trillingen in elektriciteit konden omzetten om hun omgeving te voelen.

De millibots leerden in realtime autonoom lopen, springen en ontsnappen aan mogelijke obstakels. Ze kunnen zelfs een mini-strandwandeling maken in het lab, waarbij ze gemakkelijk navigeren door een ruig, zanderig terrein dat gedeeltelijk bedekt is met groen.

De bots, hoewel nog steeds rudimentair, zouden op een dag kunnen helpen bij het afleveren van medicijnen in besloten ruimtes in ons lichaam als ze worden gekrompen. Ze kunnen ook fungeren als goedkope, kleine maar krachtige verkenners om nieuwe of gevaarlijke omgevingen te verkennen.

Aan Dr. Ahmad Rafsanjani van het Center for Soft Robotics, University of Southern Denmark, wie was er niet bij betrokken? in het onderzoek brengen de millibots metamaterialen in de schijnwerpers als een nieuwe manier om autonome robots te bouwen. De studie "belicht een bredere kijk op 'robotmaterialen' waarin de grens tussen materialen en machines onherkenbaar wordt", schreef hij in een gerelateerd commentaar. "Additieve productie van piëzo-elektrische metamaterialen kan leiden tot het materialiseren van volledig geïntegreerde robots die uiteindelijk rechtstreeks uit een 3D-printer kunnen lopen."

Meta-wat?

Metamaterialen zijn raar. Maar dankzij hun exotische eigenschappen hebben wetenschappers gemakkelijk mogelijke toepassingen voor deze vreemde eenden onderzocht. Een klassieker is optica. Metamaterialen zijn vaak gemaakt van componenten die flexibel interageren met elektromagnetische golven, inclusief licht. In zekere zin zijn ze vergelijkbaar met cameralenzen of spiegels, maar met de superkracht om snel te veranderen hoe ze elke lichtgolf richten. In theorie zou een zorgvuldig gemaakte structuur van metamaterialen alle soorten brillen kunnen reviseren - van microscooplenzen tot die op ons gezicht.

Meer recentelijk begonnen wetenschappers andere toepassingen te onderzoeken. Een belangrijke inspanning is het opnemen van piëzo-elektrische materialen in neuromorfe chips, die ruwweg simuleren hoe de hersenen informatie berekenen en opslaan. Door de eigenschappen van deze materialen te veranderen met elektrische velden, kunnen wetenschappers benaderen hoe synapsen werken met ultralage energie. Andere studies benutte het acrobatische vermogen van metamaterialen om hun vorm te veranderen, waardoor structuren werden gecreëerd die lineaire beweging, bijvoorbeeld een krabwandeling, omzetten in rotaties en mechanische tandwielen. Het is alsof je benen plotseling in draaiende wielen veranderen.

Ja, metamaterialen zijn raar. Hoe werken ze?

Het helpt om ze voor te stellen als old-school boxed tv's met antennes. Om het kanaal aan te passen - dat wil zeggen het gedrag van het materiaal - beweeg je de antennes totdat hun structuur sterk interageert met radiogolven, en voilàá, je hebt de staat van het materiaal genageld. Het kan vervolgens worden gemengd met conventionele materialen om ingewikkelde, roosterachtige structuren te bouwen met behoud van hun metamorfose-eigenschappen. Deze flexibiliteit maakt ze een bijzonder intrigerend canvas voor het ontwerpen van robots. Omdat ze een bijna enkele structuur zijn, kunnen ze op de lange termijn helpen bij het bouwen van intelligent protheses minder storingsgevoelig, omdat ze geen mechanische bewegende delen hebben. In plaats van te solderen, kunnen ze nu 3D-geprint worden. (Dit geeft me alle Westworld vibes-mechanische Dolores versus melkachtig-vloeibare gedrukte versie, iemand?).

Stranger Things

De nieuwe millibots zien eruit als een hybride tussen Wall-E en TARS, een geribbelde, opvouwbare, eetstokjesachtige robot in Interstellar. Volledig 3D-geprint doorbraken ze het conventionele dogma voor het bouwen van robots. Normaal gesproken heeft een robot verschillende onafhankelijke componenten nodig: sensoren om door de omgeving te navigeren, microprocessors voor het 'brein', actuatoren voor beweging en een voeding om het hele systeem aan te drijven. Elke link is vatbaar voor mislukking.

Hier integreerde het team elk onderdeel in één ontwerp. Het eerste belangrijke ingrediënt zijn piëzo-elektrische materialen, die elektrische velden omzetten in mechanische spanning en vice versa. Het zijn de 'spieren' die de beweging van de robot sturen. Maar ze doen driedubbele plicht. Afhankelijk van de staat van het metamateriaal kan het een keramiekachtige ruggengraat vormen om de millibot te helpen zijn vorm te behouden. In de geleidende fase werkt het als zenuwcellen en vangt het elektromagnetische signalen op om de 'spieren' te controleren. Het vermogen van de bot wordt nog versterkt door een ultrasoon element, versmolten met de bot, dat hem helpt zijn omgeving te voelen.

Al met al heeft de eenvoudige millibot in wezen meerdere systemen gemengd in één opvallende witte smurrie: een zenuwstelsel dat in staat is om te voelen en te bedienen, een "spier" -component en een skeletstructuur. Het team liet de goo in een 3D-printer vallen en bouwde geavanceerde roosters als de ruggengraat van de robot, elk zorgvuldig versierd met geleidende metalen en piëzo-elektrische eigenschappen op specifieke gebieden.

Het resultaat? Een kleine robot die gebruikmaakt van elektrische velden om zijn omgeving te voelen en te navigeren. Nog indrukwekkender is zijn vermogen om zijn eigen lichaamsbewegingen te 'begrijpen' en in de ruimte te plaatsen - een truc die proprioceptie wordt genoemd dat is nagesynchroniseerd het "zesde zintuig" van de menselijke waarneming en zelden geïmplementeerd in robots.

Met een paar uitdagingen toonden de auteurs vervolgens de bekwaamheid van de bots. Een robot navigeerde vakkundig in realtime rond wegversperringen terwijl een mens achtereenvolgens barrières liet vallen op basis van ultrasone feedback. In een andere test sprong de robot lange afstanden en navigeerde hij vakkundig door scherpe bochten. Met slechts milliseconden vertraging sprong de robotkikker zonder zweet over verschillende ruwe oppervlakken - een motorische taak die voorheen andere bots verbijsterde.

De millibots maakten ook geweldige pakezels. Zelfs met een laadvermogen van 500 procent, zoals een ingebouwde stroombron, een driver en een microcontroller, konden ze gemakkelijk bewegen met een snelheidsdaling van slechts 20 procent. In de praktijk maakt de superkracht deze bots tot geweldige steigers als machines voor het afleveren van medicijnen die ooit door onze bloedbaan kunnen zwerven.

Een manier om te gaan

Een enkel stuk piëzo-elektrisch materiaal kan extreem flexibel zijn, met zes vrijheidsgraden - de mogelijkheid om zich lineair uit te strekken in drie assen (zoals je arm naar voren, opzij en naar achteren buigen) en roterend te draaien. Dankzij de additieve fabricage van het onderzoek is het eenvoudig om verschillende robotarchitecturen te ontwerpen die worden geleid door creatieve algoritmen.

Het team "kunstig verweven aandrijving en waarneming in een lichtgewicht miniatuur"

samengesteld 3D-raster dat beweegt en de omgeving waarneemt, "zei Rafsanjani.

De robots komen misschien over als een ongerijmd raadsel: een flexibel wezen dat is gemaakt van een harde keramiekachtige ruggengraat met één metamateriaal. Maar wij mensen zijn dat ook - we zijn gemaakt van cellen met enorm verschillende vormen, maten en mogelijkheden. Door ideeën aan te passen die zijn gebruikt om piëzo-elektrische robots te ontwerpen, krijgen zachte robotica een nieuw perspectief, wat mogelijk kan leiden tot volledig kunstmatige materialen die met ons lichaam meeleven.

De studie "brengt robotachtige metamaterialen dichter bij biologische systemen, functie voor functie", zegt Rafsanjani.

Afbeelding tegoed: Rayne Research Group

• Coinsmart. Europa's beste Bitcoin- en crypto-uitwisseling.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. GRATIS TOEGANG.
• CryptoHawk. Altcoin-radar. Gratis proefversie.
• Bron: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/