Disse 3D-trykte millirobotene kan sanse og reagere på omgivelsene sine

Milliroboten så ut som et bedårende tegneseriekjøretøy da den dyktig navigerte en kompleks labyrint. Det er en merkelig skapning: bunnen ligner et kollapset gjerde; toppen, en dørslagslignende kurv. På størrelse med en krone virker det skjørt og helt upretensiøst.

Men i kjernen er et potensielt paradigmeskifte for å bygge autonome roboter som kan sanse og reagere på det lokale miljøet. I motsetning til klassiske roboter, som er satt sammen med flere komponenter, er milliroboten 3D-trykt med et melkeaktig metamateriale som fleksibelt kan endre egenskapene med noen få elektriske zaps.

Metamaterialer høres ut som noe fra en tegneserie, men konseptet er enkelt. I motsetning til tre, glass eller andre statiske materialer som vi lett stoler på for å holde strukturen deres, endrer metamaterialene som ble brukt i studien - piezoelektriske materialer - enkelt strukturen når de sprenges med et elektromagnetisk felt. Dette gjør at materialet kan vri seg, vri seg, krympe eller utvide seg. Kartlegg hver bevegelse, og det er mulig å bygge og styre en robot.

Å bygge boten, teamet designet et 3D-utskriftsoppsett for å skrive ut robotstrukturer ved hjelp av piezoelektriske materialer. Som et ekstra tillegg ga teamet robotene en ultralyd-glowup, innebygde komponenter i materialet, noe som hjalp robotene å gjøre vibrasjoner til elektrisitet for å føle miljøet deres.

Millibotene lærte å gå, hoppe og flykte autonomt fra potensielle hindringer i sanntid. De kunne til og med ta en mini-strandtur i laboratoriet, og enkelt navigere gjennom et røft sandete terreng som er delvis dekket med grøntområder.

Bottene, selv om de fortsatt er rudimentære, kan en dag hjelpe med å levere medisiner i trange rom i kroppen vår hvis de blir krympet ned. De kan også fungere som billige, bittesmå, men kraftige speidere for å utforske nye eller farlige miljøer.

Til Dr. Ahmad Rafsanjani ved Center for Soft Robotics, Syddansk Universitet, som ikke var involvert i studien bringer millibotene metamaterialer inn i rampelyset som en ny måte å konstruere autonome roboter på. Studien "fremhever et bredere syn på 'robotmaterialer' der grensen mellom materialer og maskiner blir usynlig," skrev han i en relatert kommentar. "Additiv produksjon av piezoelektriske metamaterialer kan føre til materialisering av fullt integrerte roboter som til slutt kan gå rett ut av en 3D-skriver."

Meta-Hva?

Metamaterialer er rare. Men takket være deres eksotiske egenskaper, har forskere lett utforsket potensielle bruksområder for disse merkelige endene. En klassisk er optikk. Metamaterialer er ofte laget av komponenter som fleksibelt samhandler med elektromagnetiske bølger, inkludert lys. På en måte ligner de på kameralinser eller speil, men med superkraften til å raskt endre hvordan de retter hver lysbølge. I teorien kan en nøye skapt struktur fra metamaterialer overhale alle typer briller - fra mikroskoplinser til de på ansiktet vårt.

Nylig begynte forskere å utforske andre bruksområder. En stor innsats er å inkorporere piezoelektriske materialer i nevromorfe brikker, som omtrent simulerer hvordan hjernen beregner og lagrer informasjon. Ved å endre egenskapene til disse materialene med elektriske felt, kan forskere anslå hvordan synapser fungerer med ultralav energi. Andre studier utnyttet metamaterialenes akrobatiske evne til å forvandle formen deres, og skape strukturer som konverterer lineær bevegelse – for eksempel en krabbevandring – til rotasjoner og mekaniske gir. Det er som om bena dine plutselig blir til roterende hjul.

Ja, metamaterialer er rare. Hvordan fungerer de?

Det hjelper å forestille seg dem som gammeldagse TV-er i boks med antenner. For å justere kanalen – det vil si materialets oppførsel – flytter du antennene rundt til strukturen deres samhandler sterkt med radiobølger, og voilá, du har nådd materialets tilstand. Det kan deretter blandes med konvensjonelle materialer for å bygge intrikate, gitterlignende strukturer samtidig som deres metamorfoseegenskaper bevares. Denne fleksibiliteten gjør dem til et spesielt spennende lerret for å designe roboter. Fordi de er nesten en enkelt struktur, kan de i det lange løp bidra til å bygge intelligente protetikk mindre utsatt for feil, siden de ikke har mekaniske bevegelige deler. I stedet for å lodde, kan de nå 3D-printes. (Dette gir meg alt Westworld vibber - mekanisk Dolores versus melkeaktig-flytende trykt versjon, noen?).

Stranger Ting

De nye millibotene ser ut som en hybrid mellom Wall-E og TARS, en rillet, sammenleggbar, spisepinneaktig robot i Interstellar. Fullt 3D-printet knuste de det konvensjonelle dogmet for å bygge roboter. Normalt trenger en robot flere uavhengige komponenter: sensorer for å navigere i miljøet, mikroprosessorer for "hjernen", aktuatorer for bevegelse og en strømforsyning for å drive hele systemet. Hver kobling er utsatt for feil.

Her integrerte teamet hver komponent i ett design. Den første nøkkelingrediensen er piezoelektriske materialer, som konverterer elektriske felt til mekanisk spenning og omvendt. De er "musklene" som styrer robotens bevegelse. Men de gjør trippel plikt. Avhengig av tilstanden til metamaterialet, kan det danne en keramikklignende ryggrad for å hjelpe milliboten å opprettholde formen. I sin ledende fase fungerer den som nerveceller, og fanger opp elektromagnetiske signaler for å kontrollere "musklene". Et ultralydelement som er smeltet sammen med roboten, hjelper den å oppfatte omgivelsene ytterligere.

Til sammen har den enkle milliboten i hovedsak flere systemer blandet til en iøynefallende hvit goo: et nervesystem som er i stand til å føle og aktivere, en "muskel"-komponent og en skjelettstruktur. Etter å ha kastet tøyset inn i en 3D-printer, bygde teamet sofistikerte gitter som robotens ryggrad, hver nøye dekorert med ledende metaller og piezoelektriske egenskaper på bestemte områder.

Resultatet? En bitteliten robot som benytter seg av elektriske felt for å føle og navigere i miljøet. Enda mer imponerende er dens evne til å "forstå" sine egne kroppslige bevegelser og plass i rommet – et triks som kalles propriosepsjon som har blitt dubbet den "sjette sansen" av menneskelig oppfatning og sjelden implementert i roboter.

Med noen få utfordringer viste forfatterne frem robotenes dyktighet. En robot navigerte ekspert rundt veisperringer i sanntid da et menneske sekvensielt falt ned barrierer basert på ultralyd-tilbakemelding. I en annen test hoppet roboten lange avstander og navigerte dyktig skarpe svinger. Med bare millisekunders forsinkelse hoppet robotfrosken flere grove overflater uten å svette – en motoroppgave som tidligere har forvirret andre roboter.

Millibotene laget også flotte pakkemuldyr. Selv med 500 prosent vekt i nyttelast – for eksempel en innebygd strømkilde, en driver og en mikrokontroller – var de i stand til å bevege seg lett med bare 20 prosent nedgang i hastighet. I praksis gjør supermakten disse robotene til flotte stillaser som maskiner for medikamentlevering som en dag kan streife rundt i blodet vårt.

En vei å gå

Et enkelt stykke piezoelektrisk materiale kan være ekstremt fleksibelt, med seks frihetsgrader – evnen til å strekke seg lineært i tre akser (som å bøye armen forover, sidelengs og bakover) og vri rotasjon. Takket være studiens additive produksjon er det enkelt å designe forskjellige robotarkitekturer styrt av kreative algoritmer.

Teamet "kunstnerisk sammenvevde aktivering og persepsjon i en lett miniatyr

kompositt 3D-gitter som beveger seg rundt og føler omgivelsene, sier Rafsanjani.

Robotene kan komme ut som en inkongruent gåte: en fleksibel skapning som er laget av hard keramikklignende ryggrad med ett metamateriale. Men det er vi mennesker også – vi er laget av celler med vidt forskjellige former, størrelser og evner. Å tilpasse ideer som brukes til å designe piezoelektriske roboter, gir myk robotikk et nytt syn, noe som potensielt kan føre til helt kunstige materialer som føyer sammen med kroppene våre.

Studien "bringer robotmetamaterialer nærmere biologiske systemer, en funksjon om gangen," sa Rafsanjani.

Bildekreditt: Rayne Research Group

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/