Acești Milliroboți imprimați 3D pot simți și reacționa la împrejurimile lor

Millirobot arăta ca un vehicul adorabil de desene animate, în timp ce naviga cu experiență într-un labirint complex. Este o creatură ciudată: fundul seamănă cu un gard prăbușit; partea de sus, un coș asemănător unei strecurătoare. De mărimea unui ban, pare fragilă și absolut modestă.

Dar la baza ei se află o potențială schimbare de paradigmă pentru construirea de roboți autonomi care pot simți și răspunde la mediul local. Spre deosebire de roboții clasici, care sunt asamblați cu mai multe componente, millirobot este Imprimat 3D cu un metamaterial cu aspect lăptos care își poate modifica în mod flexibil proprietățile cu câteva șocuri electrice.

Metamaterialele sună ca ceva dintr-o carte de benzi desenate, dar conceptul este simplu. Spre deosebire de lemn, sticlă sau alte materiale statice pe care ne bazăm ușor pentru a-și menține structura, metamaterialele utilizate în studiu - materialele piezoelectrice - își schimbă cu ușurință structura atunci când sunt supuse unui câmp electromagnetic. Acest lucru permite materialului să se răsucească, să se contorsioneze, să se micșoreze sau să se extindă. Hartă fiecare mișcare și este posibil să construiești și să conduci un robot.

Pentru a construi botul, echipa proiectat o configurație de imprimare 3D pentru a imprima structuri robotizate folosind materiale piezoelectrice. Ca un supliment suplimentar, echipa le-a oferit roboților o strălucire cu ultrasunete, înglobând componente în material, ceea ce i-a ajutat pe roboți să transforme vibrațiile în electricitate pentru a simți mediul lor.

Miliboții au învățat să meargă, să sară și să scape de potențiale obstacole în timp real. Ei ar putea chiar să facă o mini excursie pe plajă în laborator, navigând cu ușurință printr-un teren accidentat, nisipos parțial acoperit de verdeață.

Boții, deși încă rudimentari, ar putea într-o zi să ajute la livrarea de droguri în spații închise din corpul nostru, dacă ar fi micșorat. Ei pot acționa, de asemenea, ca cercetași ieftini, mici, dar puternici pentru a explora medii noi sau periculoase.

Dr. Ahmad Rafsanjani de la Centrul pentru Robotică Soft, Universitatea din Sudul Danemarcei, care nu era implicat în studiu, miliboții aduc metamaterialele în lumina reflectoarelor ca o nouă modalitate de a construi roboți autonomi. Studiul „subliniază o viziune mai largă asupra „materialelor robotice”, în care granița dintre materiale și mașini devine indiscernabilă”, a scris el într-un comentariu asociat. „Fabricarea aditivă a metamaterialelor piezoelectrice poate duce la materializarea roboților complet integrați care ar putea ieși în cele din urmă direct dintr-o imprimantă 3D.”

Meta-Ce?

Metamaterialele sunt ciudate. Dar datorită proprietăților lor exotice, oamenii de știință au explorat cu ușurință potențialele utilizări ale acestor rațe ciudate. Unul clasic este optica. Metamaterialele sunt adesea făcute din componente care interacționează în mod flexibil cu undele electromagnetice, inclusiv cu lumina. Într-un fel, sunt asemănătoare cu lentilele sau oglinzile camerei, dar au superputerea de a schimba rapid modul în care direcționează fiecare undă de lumină. În teorie, o structură creată cu grijă din metamateriale ar putea revizui toate tipurile de ochelari – de la lentilele de microscop până la cele de pe fețele noastre.

Mai recent, oamenii de știință au început să exploreze alte utilizări. Un efort major este încorporarea materialelor piezoelectrice în cipuri neuromorfe, care simulează aproximativ modul în care creierul calculează și stochează informații. Schimbând proprietățile acestor materiale cu câmpuri electrice, oamenii de știință pot aproxima modul în care funcționează sinapsele cu energie ultra-scăzută. Alte studii au folosit capacitatea acrobatică a metamaterialelor de a-și transforma forma, creând structuri care transformă mișcarea liniară - să zicem, o mers de crab - în rotații și angrenaje mecanice. E ca și cum picioarele tale se transformă brusc în roți rotative.

Da, metamaterialele sunt ciudate. Cum funcționează?

Ajută să-i imaginezi ca televizoare cu antene vechi. Pentru a regla canalul, adică comportamentul materialului, mutați antenele până când structura lor interacționează puternic cu undele radio și voil.á, ai stabilit starea materialului. Poate fi apoi amestecat cu materiale convenționale pentru a construi structuri complicate, asemănătoare zăbrelelor, păstrându-și în același timp proprietățile de metamorfoză. Această flexibilitate le face o pânză deosebit de interesantă pentru proiectarea roboților. Deoarece sunt aproape o singură structură, pe termen lung, ar putea ajuta la construirea inteligentei protezare mai puțin predispuse la defecțiuni, deoarece nu au părți mecanice în mișcare. În loc să fie lipite, acum pot fi imprimate 3D. (Acest lucru îmi oferă toate Westului vibrații — Dolores mecanic versus versiunea tipărită cu lichid lăptos, cineva?).

Lucrurile Stranger

Noii miliboți arată ca un hibrid între Wall-E și TARS, un robot pliabil, în formă de bețișoare în Interstellar. Complet imprimate 3D, au spulberat dogmele convenționale pentru construirea roboților. În mod normal, un robot are nevoie de mai multe componente independente: senzori pentru a naviga prin mediu, microprocesoare pentru „creier”, dispozitive de acționare pentru mișcare și o sursă de alimentare pentru a conduce întregul sistem. Fiecare link este predispus la eșec.

Aici, echipa a integrat fiecare componentă într-un singur design. Primul ingredient cheie sunt materialele piezoelectrice, care convertesc câmpurile electrice în tensiune mecanică și invers. Ei sunt „mușchii” care ghidează mișcarea robotului. Dar ei fac o triplă datorie. În funcție de starea metamaterialului, acesta poate forma o coloană vertebrală asemănătoare ceramicii pentru a ajuta milibot-ul să-și mențină forma. În faza sa conductivă, acționează ca celulele nervoase, captând semnale electromagnetice pentru a controla „mușchii”. Creșterea în continuare a priceperii botului este un element ultrasonic, îmbinat pe bot, care îl ajută să-și simtă împrejurimile.

În total, milibot-ul simplu are, în esență, mai multe sisteme amestecate într-o substanță albă strălucitoare: un sistem nervos capabil de a detecta și acționa, o componentă „musculară” și o structură scheletică. A aruncat substanța într-o imprimantă 3D, echipa a construit zăbrele sofisticate ca coloana vertebrală a robotului, fiecare decorată cu grijă cu metale conductoare și proprietăți piezoelectrice pe regiuni specifice.

Rezultatul? Un robot mic care atinge câmpurile electrice pentru a simți și a naviga în mediul său. Și mai impresionantă este capacitatea sa de a „înțelege” propriile mișcări ale corpului și de a-și plasa în spațiu – un truc numit propriocepție asta a fost dublat „al șaselea simț” al percepției umane și rar implementat în roboți.

Cu câteva provocări, autorii au prezentat în continuare priceperea roboților. Un robot a navigat cu expertiză în jurul obstacolelor în timp real, în timp ce un om a căzut secvenţial barierele pe baza feedback-ului cu ultrasunete. Într-un alt test, robotul a sărit pe distanțe lungi și a navigat cu expertiză în viraje strânse. Cu doar câteva milisecunde de întârziere, broasca robot a sărit pe mai multe suprafețe aspre fără a transpira - o sarcină motorie care anterior i-a derutat pe alți roboți.

De asemenea, miliboții făceau catâri grozavi. Chiar și cu o greutate de 500 la sută în sarcină utilă - cum ar fi o sursă de alimentare la bord, un driver și un microcontroler - au putut să se miște cu ușurință cu doar o scădere de 20 la sută a vitezei. În practică, superputerea face din acești roboți niște schele grozave ca mașini de livrare a medicamentelor care ar putea într-o zi să ne cutreiere fluxul sanguin.

Un mod de a merge

O singură bucată de material piezoelectric poate fi extrem de flexibilă, cu șase grade de libertate - capacitatea de a se extinde liniar în trei axe (cum ar fi îndoirea brațului înainte, lateral și înapoi) și de a se răsuci rotațional. Datorită producției aditive a studiului, este ușor să proiectați diferite arhitecturi robotice ghidate de algoritmi creativi.

Echipa „a împletit cu talent acționarea și percepția într-o miniatură ușoară

zăbrele 3D compozită care se mișcă și își simte împrejurimile”, a spus Rafsanjani.

Roboții pot apărea ca o enigma incongruentă: o creatură flexibilă care este făcută dintr-o coloană vertebrală dură asemănătoare ceramicii cu un metamaterial. Dar și noi, oamenii, suntem alcătuiți din celule cu forme, dimensiuni și capacități foarte diferite. Adaptarea ideilor folosite la proiectarea roboților piezoelectrici oferă roboticii soft o nouă perspectivă, ceea ce poate duce la materiale complet artificiale care se îmbină cu corpul nostru.

Studiul „apropie metamaterialele robotizate de sistemele biologice, o funcție la un moment dat”, a spus Rafsanjani.

Credit imagine: Rayne Research Group

• Coinsmart. Cel mai bun schimb de Bitcoin și Crypto din Europa.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. ACCES LIBER.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Încercare gratuită.
• Sursa: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/